(57)【要約】【課題】負荷に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧範囲を狭くして電力変換効率を向上させることができる電力平準化装置を提供する。【解決手段】交流電源１１の交流電力が入力されて直流電力を出力する力率改善部１２と、この力率改善部の出力側に接続された蓄電素子１３と、力率改善部および蓄電素子の直流電力が入力される昇圧形電力変換部１４と、力率改善部および蓄電素子の直流電力で負荷消費電力を賄えるときに昇圧形電力変換部をバイパス回路１５と、このバイパス回路および昇圧形電力変換部の出力電力が入力されて負荷に供給する直流電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、昇圧形電力変換部は、出力電力がＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧変動を抑制するように昇圧部を駆動する電力変換駆動部１４ｆを備えている。【選択図】図１
2018042427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の交流電力が入力されて直流電力を出力する力率改善部と、
該力率改善部の出力側に接続された蓄電素子と、
前記力率改善部および前記蓄電素子の直流電力が入力される昇圧形電力変換部と、
前記力率改善部および前記蓄電素子の直流電力で負荷消費電力を賄えるときに前記昇圧形電力変換部をバイパスするバイパス回路と、
該バイパス回路および前記昇圧形電力変換部の出力電力が入力されて負荷に供給する直流電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、
前記昇圧形電力変換部は、前記出力電力が前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧変動を抑制するように昇圧部を駆動する電力変換駆動部を備えている
ことを特徴とする電力平準化装置。
【請求項２】
前記力率改善部は、交流電力を変換し、電力垂下特性を有する定電圧の直流電力を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力平準化装置。
【請求項３】
前記昇圧形電力変換部は、昇圧形チョッパ回路を備え、該昇圧形チョッパ回路は、前記力率改善部および前記蓄電素子から直流電力が供給されるインダクタとダイオードの直列回路と、前記インダクタおよびダイオードのアノードの接続点と接地との間に接続されたスイッチング素子と、前記ダイオードのカソードと接地との間に接続された平滑用コンデンサとを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力平準化装置。
【請求項４】
前記電力変換駆動部は、前記平滑用コンデンサの端子電圧を検出し、該端子電圧が第２設定電圧に達していないときに端子電圧と第２設定電圧との差に応じた電圧レベルの電圧制御信号を出力するオペアンプと、該オペアンプから出力される電圧制御信号に基づいてパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調部とを備え、前記パルス幅変調部で生成したパルス幅変調信号を前記スイッチング素子に供給することを特徴とする請求項３に記載の電力平準化装置。
【請求項５】
前記バイパス回路がバイパススイッチで構成され、前記昇圧形電力変換部は、前記平滑用コンデンサの端子電圧を検出し、該端子電圧が第１設定電圧に達していないときに前記バイパススイッチをオフ状態に制御し、前記端子電圧が設定電圧に達したときに前記バイパススイッチをオン状態に制御する電圧監視部を備えることを特徴とする請求項３に記載の電力平準化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷電力変動を抑制して電力平準化を行なう電力平準化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クラウドコンピューティングやビッグデータ解析需要の拡大に伴い、データセンター内において、複数のコンピュータが同期して動作するシステムが増加している。コンピュータは、ＣＰＵの動作状態等により瞬間的に消費電力が変動するため、複数台のコンピュータが同調して動作すると瞬間的に大きな消費電力が発生しその電力を供給する入力系統に負担が掛かっている（例えば、トランス、発電機等のうなり、ケーブルやブレーカなどの配電設備への過大なストレス）。
【０００３】
一方、高速化・大容量かにより電算機システム全体の消費電力が肥大化しており、電力供給ユニット（ＰＳＵ）等の電力変換部の損失低減要求が強くなっている。
【０００４】
負荷電力変動を入力側に伝えないように電力平準化を行なうために、図２に示すように、ダイオードブリッジ回路１００で交流電力を直流電力に変換し、アクティブ型の力率改善回路（ＰＦＣ）１０１で昇圧して入力コンデンサ１０２に蓄積し、このコンデンサ１０２の出力をＤＣ−ＤＣコンバータ１０３で負荷１０４に応じた直流電力を出力するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５９６０２０７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、一般的に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３の入力電圧範囲が狭いほど高効率化が可能である（トランス巻数比を上げることで、２次側部品の低耐圧化、１次回路の電流抑制による効果等）。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧範囲が３６０〜４００Ｖである場合と、入力電圧範囲が２５０〜４００Ｖである場合とを比較すると、入力電圧範囲が３６０〜４００Ｖの方が、入力電圧範囲が２５０〜４００Ｖである場合に比較して２％程度効率が良くなる。
【０００７】
しかし、上述した複数のコンピュータが同期して動作するシステムのように負荷変動が大きい場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は広い入力電圧範囲で動作する必要があるため変換効率が低下するという課題がある。
【０００８】
すなわち、図３（ａ）で実線図示のように、負荷電力が周期的に変化する場合には、力率改善回路１０１で賄えない電力を入力コンデンサ１０２で賄って負荷電力の変動を吸収し、入力側に電力変動を伝達させないようにする。このため、入力コンデンサ１０２の電圧は、破線図示のように周期的に減少および増加を繰り返し、この入力コンデンサ１０２の電圧を後段のＤＣ−ＤＣコンバータにより、電圧を一定化させて負荷に供給する。この場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３を広い入力範囲とせざるを得ない。
【０００９】
しかしながら、上述した複数のコンピュータが同期して動作するシステムでは、図３（ｂ）で実線図示のように、負荷電力の変動が周期的ではなく、例えば短時間の電力変動が２回生じた後に、しばらく負荷変動がない状態が継続する場合が多い。このような負荷変動の場合、入力コンデンサ１０２の電圧は、破線図示のように負荷変動が生じたときに、負荷変動に応じた減少および増加を繰り返すが、負荷変動を生じていない場合には、力率改善回路１０１の出力電圧を保持することになる。このため、負荷変動を生じていない期間でＤＣ−ＤＣコンバータ１０３の電力変換効率が無駄に悪くなってしまう。
【００１０】
そこで、本発明は、上述した従来例の課題に着目してなされたものであり、入力電圧範囲を狭くして電力変換効率を向上させることができる電力平準化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る電力平準化装置の一態様は、交流電源の交流電力が入力されて直流電力を出力する力率改善部と、この力率改善部の出力側に接続された蓄電素子と、力率改善部および蓄電素子の直流電力が入力される昇圧形電力変換部と、力率改善部および蓄電素子の直流電力で負荷消費電力を賄えるときに昇圧形電力変換部をバイパスするバイパス回路と、このバイパス回路および昇圧形電力変換部の出力電力が入力されて負荷に供給する直流電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、昇圧形電力変換部は、前記出力電力がＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧変動を抑制するように昇圧部を駆動する電力変換駆動部を備えている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一態様によれば、力率改善部および蓄電素子から入力される直流電力を昇圧形電力変換部で昇圧して負荷に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータに入力するので、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧範囲を狭くして入力電力を平準化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る電力平準化装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】従来例を示すブロック図である。
【図３】従来例の負荷電圧変動とコンデンサ電圧との関係を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものである。
【００１５】
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１６】
まず、本発明の一の態様を表す電力平準化装置の第１の実施形態について図１および図２を伴って説明する。
【００１７】
電力平準化装置１０は、図１に示すように、例えば２３０Ｖの交流電力を出力する交流電源１１と、この交流電源１１からの交流電力が入力される力率改善部１２と、この力率改善部１２の出力側に接続された蓄電素子１３と、力率改善部（ＰＦＣ）１２および蓄電素子１３の直流電力が入力される昇圧形電力変換部１４と、この昇圧形電力変換部１４をバイパスするバイパススイッチ１５と、昇圧形電力変換部１４の出力およびバイパススイッチ１５の出力が入力されて負荷１７に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ１６とを備えている。
【００１８】
力率改善部１２は、交流電力を直流電圧に変換する整流機能と、力率改善機能と、入力電流が予め設定した出力制限電圧（例えば４００Ｖ）を超えないように、定電力制御電圧垂下特性を有する定電圧出力制御機能とを備えている。
【００１９】
蓄電素子１３は、充放電可能な素子であって、電気２重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、電解コンデンサ、各種バッテリ（鉛、アルカリ、リチウムイオン他）等を適用することができる。
【００２０】
昇圧形電力変換部１４は、昇圧形チョッパ回路の構成を有する。すなわち、昇圧形電力変換部１４は、力率改善部１２および蓄電素子１３から出力される直流電力が入力されるインダクタ１４ａおよびダイオード１４ｂの直列回路と、インダクタ１４ａおよびダイオード１４ｂのアノード間の接続点と接地との間に接続されたスイッチング素子１４ｃと、ダイオード１４ｂのカソードと接地との間に接続された平滑用コンデンサ１４ｄとを備えている。そして、ダイオード１４ｂと平滑用コンデンサ１４ｄの接続点がＤＣ／ＤＣコンバータ１６に接続されている。
【００２１】
昇圧形電力変換部１４は、さらに出力電圧監視部１４ｅと電力変換駆動部１４ｆとを備えている。出力電圧監視部１４ｅは、平滑用コンデンサ１４ｄの端子電圧Ｖｃを検出し、この端子電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｒｅｆ１（例えば３７０Ｖ）未満であるときにバイパススイッチ１５をオフ状態とし、端子電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｒｅｆ１以上となったときに、バイパススイッチ１５をオン状態に制御する。この電圧監視部１４ｅは、コンパレータＣＰ１を有し、このコンパレータＣＰ１の非反転入力端子に平滑用コンデンサ１４ｄの端子電圧Ｖｃが入力され、反転入力端子に設定電圧Ｖｒｅｆ１が入力されている。
【００２２】
したがって、コンパレータＣＰ１は、Ｖｃ＜Ｖｒｅｆ１であるときにローレベルのスイッチ駆動信号Ｓｓｗを、バイパススイッチ１５を構成する例えばＮチャネルの電界効果トランジスタのゲートに出力する。また、コンパレータＣＰ１は、Ｖｃ≧Ｖｒｅｆ１であるときにハイレベルのスイッチ駆動信号Ｓｓｗを、バイパススイッチ１５を構成する例えばＮチャネルの電界効果トランジスタのゲートに出力する。
【００２３】
電力変換駆動部１４ｆは、オペアンプＯＰ１と、ＰＷＭ信号生成回路２０とを備えている。オペアンプＯＰ１は、反転入力端子に平滑用コンデンサ１４ｄの端子間電圧Ｖｃが入力され、非反転入力端子に例えば３８０Ｖに設定された参照電圧Ｖｒｅｆ２が入力されている。したがって、オペアンプＯＰ１からＶｃ＜Ｖｒｅｆ２であるときに参照電圧Ｖｒｅｆ２と端子間電圧Ｖｃとの差分の電圧レベルとなり、Ｖｃ≧Ｖｒｅｆ２であるときに“０”となる駆動制御信号ＳｄをＰＷＭ信号生成回路２０に出力する。
【００２４】
ＰＷＭ信号生成回路２０は、オペアンプＯＰ１から入力される駆動制御信号Ｓｃと三角波又は鋸歯状波のキャリア信号とを比較して駆動制御信号Ｓｃの電圧レベルに応じたＰＷＭ信号をスイッチング素子１４ｃのゲートに入力供給する。
【００２５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、昇圧形電力変換部１４から出力される直流電力またはバイパススイッチ１５を介して力率改善部１２および蓄電素子１３から出力される直流電力が供給され、これら直流電力を負荷１７が必要とする例えば１２Ｖの直流電圧に降圧して負荷１７に出力する。
【００２６】
負荷１７は、データセンター内において、複数のコンピュータが同期して動作するシステムであり、複数のコンピュータの動作状況に応じて消費電力が変動する。
次に、上記実施形態の動作を説明する。
【００２７】
今、交流電源１１からの交流電力が力率改善部１２で定電圧（例えば４００Ｖ）の直流電力に変換されて出力されており、この直流電力が蓄電素子１３に充電されているものとする。この状態で、負荷１７での消費電力も少ない場合には、昇圧形電力変換部１４の平滑用コンデンサ１４ｄの端子電圧Ｖｃが力率改善部１２から出力される直流電力と略等しい４００Ｖとなっている。
【００２８】
このため、昇圧形電力変換部１４の出力電圧監視部１４ｅのコンパレータＣＰ１でＶｒｅｆ≦Ｖｃとなり、コンパレータＣＰ１からハイレベルのスイッチ駆動信号Ｓｓｗがバイパススイッチ１５に出力され、このバイパススイッチ１５がオン状態に制御される。
【００２９】
したがって、昇圧形電力変換部１４がバイパススイッチ１５によってバイパスされ、力率改善部１２および蓄電素子１３から出力される直流電力が直接ＤＣ／ＤＣコンバータ１６に供給される。このＤＣ／ＤＣコンバータ１６で負荷１７が必要とする例えば１２Ｖの直流電圧に降圧されて負荷１７に供給される。
【００３０】
このとき、昇圧形電力変換部１４の電力変換駆動部１４ｆでは、平滑用コンデンサ１４ｄの端子間電圧Ｖｃが４００Ｖと高い電圧となっており、参照電圧Ｖｒｅｆ２よりも高いので、オペアンプＯＰ１から出力される駆動制御信号Ｓｄがローレベルとなる。このため、ＰＷＭ信号生成回路２０からはＰＷＭ信号が出力されず、スイッチング素子１４ｃはオフ状態を維持する。このため、昇圧形電力変換部１４は昇圧動作を停止している。
【００３１】
この負荷１７の消費電力が少ない状態から、負荷１７の消費電力が増加し、この負荷１７の消費電力を力率改善部１２の直流電力で賄えない場合には、不足分を蓄電素子１３の直流電力で賄なうことになる。この状態となると、蓄電素子１３の蓄電電圧が放電されることにより力率改善部１２および蓄電素子１３の合計電圧が低下する。この合計電圧の低下の影響が、バイパススイッチ１５を介して昇圧形電力変換部１４の平滑用コンデンサ１４ｄの端子間電圧Ｖｃにも伝達され、端子間電圧Ｖｃも減少する。
【００３２】
このように端子間電圧Ｖｃが減少し、参照電圧Ｖｒｅｆ２未満となると、電力変換駆動部１４ｆのオペアンプＯＰ１から参照電圧Ｖｒｅｆ２と端子間電圧Ｖｃとの差分の電圧レベルの駆動制御信号Ｓｄが出力される。この駆動制御信号ＳｄがＰＷＭ信号生成回路２０に入力されるので、このＰＷＭ信号生成回路２０から駆動制御信号Ｓｄの電圧レベルに応じたパルス幅のＰＷＭ信号がスイッチング素子１４ｃに出力される。このため、スイッチング素子１４ｃがスイッチング制御されて昇圧動作が開始される。
【００３３】
したがって、力率改善部１２の直流電圧と蓄電素子１３の直流電圧の合計電圧が昇圧形電力変換部１４の３８０Ｖまで昇圧する昇圧チョッパ動作が開始される。この状態でも、平滑用コンデンサ１４ｄの端子間電圧Ｖｃがさらに減少して３７０Ｖ未満まで低下すると、電圧監視部１４ｅのコンパレータＣＰ１からローレベルのスイッチ駆動信号Ｓｓｗが出力される。このローレベルのスイッチ駆動信号Ｓｓｗによってバイパススイッチ１５がオフ状態に制御される。
【００３４】
このため、力率改善部１２および蓄電素子１３の直流電力が昇圧形電力変換部１４によって３８０Ｖまで昇圧される。しかしながら、負荷１７での消費電力が多い場合には、平滑用コンデンサ１４ｄの端子間電圧Ｖｃが参照電圧Ｖｒｅｆ２を下回る状態が継続し、端子間電圧Ｖｃの低下に応じてオペアンプＯＰ１から出力される駆動制御信号Ｓｄの電圧レベルが高くなる。このため、ＰＷＭ信号生成回路２０から出力されるＰＷＭ信号のパルス幅が広くなり、スイッチング素子１４ｃのオン状態の区間も広くなることから力率改善部１２および蓄電素子１３の電圧低下分を補う昇圧が行なわれる。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６に入力される入力電圧の大幅な低下を抑制することができ、入力電力を平準化することができる。
【００３５】
このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の入力電圧範囲を狭めることができ、電力変換効率を向上させることができる。しかも、負荷１７の消費電力が少ない場合には、バイパススイッチ１５によって、昇圧形電力変換部１４がバイパスされるとともに、昇圧形電力変換部１４の動作自体も停止されるので、より電力変換効率を向上させることができる。
【００３６】
さらに、バイパススイッチ１５としてオン抵抗の少ない電界効果トランジスタとの半導体スイッチング素子を適用することにより、オン抵抗による損失低減することができる。
【００３７】
なお、上記実施形態では、バイパススイッチ１５で、昇圧形電力変換部１４をバイパスするようにした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、バイパス回路としてアノードを力率改善部１２および蓄電素子１３側とし、カソードをＤＣ／ＤＣコンバータ側とするダイオードを適用することもできる。この場合に、バイパススイッチ１５のようにスイッチ駆動信号Ｓｓｗを必要としないので、電圧監視部１４ｅを省略することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０…電力平準化装置、１１…交流電源、１２…力率改善部、１３…蓄電素子、１４…昇圧形電力変換部、１４ａ…インダクタ、１４ｂ…ダイオード、１４ｃ…スイッチング素子、１４ｄ…平滑用コンデンサ、１４ｅ…電圧監視部、１４ｆ…電力変換駆動部
【図１】
2018042427.tif 000003
【図２】
2018042427.tif 000004
【図３】
2018042427.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月13日(2017.2.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の負荷の動作状況に応じて消費電力が変動するシステムに適用する電力平準化装置であって、
交流電源の交流電力が入力されて直流電力を出力する力率改善部と、
該力率改善部の出力側に接続された蓄電素子と、
前記力率改善部および前記蓄電素子の直流電力が入力される昇圧形電力変換部と、
前記力率改善部および前記蓄電素子の直流電力で負荷消費電力を賄えるときに前記昇圧形電力変換部をバイパスするバイパス回路と、
該バイパス回路および前記昇圧形電力変換部の出力電力が入力されて負荷に供給する直流電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、
前記力率改善部は、交流電力を変換し、出力制限電圧を超えないように、定電力垂下特性を有する定電圧出力機能を有し、
前記昇圧形電力変換部は、前記出力電力が前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧変動を抑制するように前記出力制限電圧より低い電圧で昇圧部を駆動する電力変換駆動部を備えている
ことを特徴とする電力平準化装置。
【請求項２】
前記昇圧形電力変換部は、昇圧形チョッパ回路を備え、該昇圧形チョッパ回路は、前記力率改善部および前記蓄電素子から直流電力が供給されるインダクタとダイオードの直列回路と、前記インダクタおよびダイオードのアノードの接続点と接地との間に接続されたスイッチング素子と、前記ダイオードのカソードと接地との間に接続された平滑用コンデンサとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電力平準化装置。
【請求項３】
前記電力変換駆動部は、前記平滑用コンデンサの端子電圧を検出し、該端子電圧が第２設定電圧に達していないときに端子電圧と第２設定電圧との差に応じた電圧レベルの電圧制御信号を出力するオペアンプと、該オペアンプから出力される電圧制御信号に基づいてパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調部とを備え、前記パルス幅変調部で生成したパルス幅変調信号を前記スイッチング素子に供給することを特徴とする請求項２に記載の電力平準化装置。
【請求項４】
前記バイパス回路がバイパススイッチで構成され、前記昇圧形電力変換部は、前記平滑用コンデンサの端子電圧を検出し、該端子電圧が第１設定電圧に達していないときに前記バイパススイッチをオフ状態に制御し、前記端子電圧が設定電圧に達したときに前記バイパススイッチをオン状態に制御する電圧監視部を備えることを特徴とする請求項３に記載の電力平準化装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明に係る電力平準化装置の一態様は、複数の負荷の動作状況に応じて消費電力が変動するシステムに適用する電力平準化装置であって、交流電源の交流電力が入力されて直流電力を出力する力率改善部と、この力率改善部の出力側に接続された蓄電素子と、力率改善部および蓄電素子の直流電力が入力される昇圧形電力変換部と、力率改善部および蓄電素子の直流電力で負荷消費電力を賄えるときに昇圧形電力変換部をバイパスするバイパス回路と、このバイパス回路および昇圧形電力変換部の出力電力が入力されて負荷に供給する直流電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、力率改善部は、交流電力を変換し、出力制限電圧を超えないように、定電力垂下特性を有する定電圧出力機能を有し、昇圧形電力変換部は、出力電力がＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧変動を抑制するように出力制限電圧より低い電圧で昇圧部を駆動する電力変換駆動部を備えている。