(57)【要約】【課題】バックアップ電源の大容量化、高い信頼性、高効率にした無停電電源（ＵＰＳ）機能付き電源装置を実現する。【解決手段】主回路（１〜５）はスイッチング方式の電源構成とし、バックアップ電源としてスーパーキャパシタＳＣを使用し、このスーパーキャパシタの充放電回路（ＣＯＮ、ＳＷ）を主回路と分離し、バックアップ電源装置からの出力を主回路のスイッチングトランス（Ｔ１）の入力巻線部分で付け合せた構成とする。  バックアップ電源装置は主回路が正常にあるときは休止させておく構成、さらに休止期間にはバックアップ電源装置の自己診断を行う構成も含む。【選択図】図１
2008005565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ電源の交流電力を直流電力に変換し、この直流電力からスイッチング回路による高周波スイッチングによってスイッチングトランスの出力に交流電力を得、この交流電力を整流・平滑して一定電圧の直流出力を得る主回路と、前記主回路の機能喪失時にバックアップ電源から前記直流出力に必要な電力を供給するバックアップ電源装置とを備えた無停電電源機能付き電源装置において、
前記バックアップ電源装置は、スーパーキャパシタを前記バックアップ電源とし、前記スイッチング回路の直流側を電源として前記スーパーキャパシタへの充電制御を行う充電制御回路と、前記スーパーキャパシタを電源とし、前記主回路のスイッチング回路と同じ電圧制御信号でスイッチング制御される第２のスイッチング回路とからなる停電保証回路を設け、この第２のスイッチング回路の高周波出力を前記スイッチングトランスの入力巻線部分で前記主回路のスイッチング回路の出力と付け合せた構成を特徴とする無停電電源機能付き電源装置。
【請求項２】
前記第２のスイッチング回路の出力電圧は、前記主回路のスイッチング回路の出力電圧よりも低くした回路構成とし、両スイッチング回路には前記スイッチングトランスを通した互いの逆流を阻止するダイオードを設けたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源機能付き電源装置。
【請求項３】
前記バックアップ電源装置は、前記主回路が正常にあるときは前記第２のスイッチング回路を休止させておく休止制御回路を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の無停電電源機能付き電源装置。
【請求項４】
前記休止制御回路は、前記休止期間には前記スーパーキャパシタの充電動作と放電動作の診断を行う自己診断回路を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の無停電電源機能付き電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主回路の異常発生時にバックアップ電源から電力を供給する無停電電源機能（ＵＰＳ）付き電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今のコンピュータ装置は、ＯＳを含むソフトウェアやメモリの大容量化に伴い、システム停止時にシャットダウン処理が必要となる装置が増えてきた。この場合、通常のシステム停止処理では問題とはならないが、不意の停電が発生した場合、大切なデータを損なうばかりでなく、再起動できなくなる事が起こる場合がある。
【０００３】
このような問題を解決するため、ＵＰＳ等、無停電電源装置をコンピュータ装置の電源として使用するのが一般的である。また、装置内部に無停電電源（ＵＰＳ）機能を有したスイッチング電源を搭載するコンピュータ装置も存在する。装置内部に無停電電源（ＵＰＳ）機能を有したスイッチング電源を用いる場合、通常はＡＣ−ＤＣ変換回路でＤＣ２４ＶまたはＤＣ１２Ｖに変換し、その電圧と鉛シール電池などのバッテリ（バックアップ電源）を用いて、ＤＣ−ＤＣ変換回路によりＤＣ１２Ｖ、ＤＣ５Ｖ等の出力電圧を生成するのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−０１４０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コンピュータ装置を外部の無停電電源装置（ＵＰＳ）に接続して使用する場合、無停電電源装置はインバータ方式ではＡＣから一旦ＤＣに変換し、これとバッテリを付け合わせた後、再度ＡＣに変換し、コンピュータ装置にＡＣ電源を供給する。そして、コンピュータ装置の電源でＡＣ−ＤＣ変換回路により各種ＤＣ出力をコンピュータ装置内の回路デバイスに供給している。この場合、電圧変換がＡＣ→ＤＣ→ＡＣ→ＤＣ（コンピュータ内）と３回行われるため非常に効率が悪く、また無停電電源装置をコンピュータ装置の外部に設置する必要があるため、システムが大きくなってしまう欠点がある。
【０００５】
コンピュータ装置内部に無停電電源（ＵＰＳ）機能を有したスイッチング電源を設ける場合は、比較的小形にできるという利点はあるが、一般的には電圧変換がＡＣ→ＤＣ→ＤＣと２回行われるので、効率及び実装の面でも通常の電源に比べ劣っている。
【０００６】
また、バックアップ電源として鉛シール電池などを用いた場合は、バッテリの充電回路やバッテリ供給時のＤＣ出力回路など、回路が専用化してしまい複雑になるため高価になってしまう。特に、バッテリから電力を供給する時の電力変換効率はバックアップ可能時間に影響するため、電力変換効率の向上が必須となっている。
【０００７】
最近、電気２重層コンデンサなどエネルギー密度の高い素材を用いたスーパーキャパシタが開発されてきているが、スーパーキャパシタをバックアップ電源として使用するには、キャパシタの大容量化に伴う電源起動時の電圧立ち上がり対策及び高電圧での使用が問題となってくる。
【０００８】
次に、バックアップ電源の電源種別による問題点を説明する。バッテリとして鉛シール電池やニッカド電池などを用い、トリクル充電方式（自己放電を補うために負荷から切り離した状態で微少電流で充電を行う方式）により絶えずバッテリを満充電状態とすることで、停電等発生時に速やかにバッテリから電力を供給してバックアップを可能にするのが一般的である。ところが、鉛シール電池やニッカド電池については、環境負荷物質として規制する動きがあり、そのため、ニッケル水素電池やリチウム電池など従来２次電池として使用されている電池を使用してバックアップ機能を実現する電源が現れてきた。ただし、ニッケル水素電池などは、過度の充電や充電時の発熱等が電池の寿命に大きく影響を与えるため、トリクル充電方式では鉛シール電池と比較して寿命が短くなってしまう欠点がある。したがって、電池への充電には間欠充電制御など細かな制御が必要となってくる。
【０００９】
また、無瞬断にて電源バックアップを行うには、ＡＣ給電中もバッテリ側からの電源回路をスタンバイ状態にしておくことが好ましい。この場合、スタンバイ状態に保つため、バッテリの消費電流が増大する。上記の間欠充電を行う場合であっても、このバッテリ消費分を補うため、バッテリヘ補充電する必要が生じ、補充電による寿命への影響が発生する。
【００１０】
本発明の目的は、上記の各課題を解決した無停電電源機能付き電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するため、主回路はスイッチング方式の電源構成とし、バックアップ電源としてスーパーキャパシタを使用し、このスーパーキャパシタの充放電回路を主回路と分離し、バックアップ電源装置からの出力を主回路のスイッチングトランスの入力巻線部分で付け合せた構成とし、さらにバックアップ電源装置は主回路が正常にあるときは休止させておく構成、さらにまた休止期間にはバックアップ電源装置の自己診断を行う構成としたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１２】
（１）ＡＣ電源の交流電力を直流電力に変換し、この直流電力からスイッチング回路による高周波スイッチングによってスイッチングトランスの出力に交流電力を得、この交流電力を整流・平滑して一定電圧の直流出力を得る主回路と、前記主回路の機能喪失時にバックアップ電源から前記直流出力に必要な電力を供給するバックアップ電源装置とを備えた無停電電源機能付き電源装置において、
前記バックアップ電源装置は、スーパーキャパシタを前記バックアップ電源とし、前記スイッチング回路の直流側を電源として前記スーパーキャパシタへの充電制御を行う充電制御回路と、前記スーパーキャパシタを電源とし、前記主回路のスイッチング回路と同じ電圧制御信号でスイッチング制御される第２のスイッチング回路とからなる停電保証回路を設け、この第２のスイッチング回路の高周波出力を前記スイッチングトランスの入力巻線部分で前記主回路のスイッチング回路の出力と付け合せた構成を特徴とする。
【００１３】
（２）前記第２のスイッチング回路の出力電圧は、前記主回路のスイッチング回路の出力電圧よりも低くした回路構成とし、両スイッチング回路には前記スイッチングトランスを通した互いの逆流を阻止するダイオードを設けたことを特徴とする。
【００１４】
（３）前記バックアップ電源装置は、前記主回路が正常にあるときは前記第２のスイッチング回路を休止させておく休止制御回路を設けたことを特徴とする。
【００１５】
（４）前記休止制御回路は、前記休止期間には前記スーパーキャパシタの充電動作と放電動作の診断を行う自己診断回路を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上のとおり、本発明によれば、バックアップ電源としてスーパーキャパシタを使用し、このスーパーキャパシタの充放電回路を主回路と分離し、バックアップ電源装置からの出力を主回路のスイッチングトランスの入力巻線部分で付け合せた構成としたため、以下の効果がある。
【００１７】
（１）スーパーキャパシタでは使用電圧範囲を広くすることができ、より長時間のバックアップが可能となり、高効率な無停電電源（ＵＰＳ）機能付き電源装置を実現できる。
【００１８】
（２）スーパーキャパシタを電源１次側に配することで、使用電圧範囲を広くすることができ、より長時間のバックアップと、停電保証回路の動作電圧を下げることで、スーパーキャパシタの大容量化が期待できる。
【００１９】
（３）バックアップ電源装置を主回路から分離するため、スーパーキャパシタの大容量化にも電源起動時の電圧立ち上がりの遅れを小さくできる。
【００２０】
（４）主回路が正常にあるときはバックアップ電源装置を休止させておく構成、さらに休止期間にはバックアップ電源装置の自己診断を行う構成とすることで、バッテリ消費を抑え、かつ一定時間毎の自動診断機能による休止回路の信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（実施形態１）
図１は、本実施形態の回路構成図を示し、バックアップ電源としてスーパーキャパシタを用いた無停電電源（ＵＰＳ）機能付き電源装置を構成する。図中ＳＣが、電気２重層コンデンサなどに代表されるスーパーキャパシタである。
【００２２】
図１において、主回路は、ＡＣ−ＤＣ変換手段としての整流回路１とアクティブフィルタ２と、ＤＣ−ＡＣ変換手段としてのスイッチング回路３と、ＡＣ−ＤＣ変換手段としての整流出力回路４と、出力電圧制御回路５とで構成される。アクティブフィルタ２は整流出力をチョッパ動作で基本周波数成分を抑制したフィルタ動作を得ると共に昇圧した直流電力に変換する。スイッチング回路３は平滑コンデンサＣ８で平滑された直流電力を、トランジスタＱ２のＰＷＭ制御動作によってスイッチングトランスＴ１の入力に高周波正弦波電力として供給し、トランスＴ１の出力を整流出力回路４で整流および平滑して５Ｖ電圧を得る。出力電圧制御回路５は、整流出力回路４の出力電圧を検出する電圧検出回路ＶＤＥＴと、この電圧検出信号を絶縁して取り込むホトカプラＰＣと、この電圧検出信号出力に応じた変調率のＰＷＭゲート信号を発生するＰＷＭゲート回路ＧＡＴＥとで構成される。
【００２３】
停電保証回路は、バックアップ電源としてスーパーキャパシタＳＣと、アクティブフィルタ２の直流出力を電源としてスーパーキャパシタＳＣを充電制御する充電制御回路ＣＯＮと、スーパーキャパシタＳＣを電源としてトランスＴ１の入力に高周波正弦波電力を供給するスイッチング回路ＳＷで構成される。充電制御回路ＣＯＮは、トランジスタＱ４をチョッピング制御し、そのＯＮ期間にはリアクトルＬ３を通してスーパーキャパシタＳＣを充電し、ＯＦＦ期間にはリアクトルＬ３の電磁エネルギーをダイオードＤ５からスーパーキャパシタＳＣの充電電流として放出する。スイッチング回路ＳＷは、スイッチング回路３と同じ出力回路構成にされ、高周波正弦波出力がトランスＴ１の一対の入力巻線で並列接続され、トランジスタＱ２とＱ３はＰＷＭ制御回路５によって共通にＰＷＭ制御される。
【００２４】
ここで、トランスＴ１におけるスイッチング回路３の出力電圧に対して、スイッチング回路ＳＷの出力電圧が若干低くなるよう、トランスＴ１の両巻線の巻数が設計しておく。また、スイッチング回路ＳＷの高周波正弦波出力が他方のスイッチング回路３に漏れるのをダイオードＤ３，Ｄ４で互いに阻止する。
【００２５】
本実施形態の動作を説明する。電源の起動により、整流回路１とアクティブフィルタ２とによって、約ＤＣ３８０Ｖの電圧がスイッチング回路３のコンデンサＣ８に印加される。この電圧を基にトランジスタＱ２がＰＷＭ制御されることにより、整流出力回路４から負荷に５Ｖ出力が供給される。
【００２６】
このとき、停電保証回路側は、トランジスタＱ４とリアクトルＬ３とダイオードＤ５によってＤＣ３８０ＶからスーパーキャパシタＳＣの使用電圧を考慮した低い電圧（ＤＣ２４Ｖ等）に変換し、その電荷をスーパーキャパシタＳＣに充電する。また、この停電保証回路側のトランジスタＱ３は主回路と同一のフィードバック信号によりＰＷＭ波形でＯＮ／ＯＦＦを繰り返すが、ＡＣ電源が正常の間はトランスＴ１の巻き数比により、トランス２次側には絶えず主回路側の電圧の方が高くなるように設定されているため、停電保証回路側からは負荷側への出力供給はない（ダイオードＤ４が逆極性）。
【００２７】
その後、停電が発生すると、主回路側のコンデンサＣ８に蓄えられていた電荷によって、暫くは主回路側より出力を供給しているが、徐々にコンデンサ電圧が低下してくる。コンデンサ電圧が低下し、やがては停電保証回路側の供給電圧の方が高くなるとダイオードＤ４がＯＮする。そして、スーパーキャパシタＳＣに蓄電した電荷により一定時間だけ負荷側に出力を供給することができる。
【００２８】
また、スーパーキャパシタＳＣによるバックアップ動作中にＡＣ電源が復電した場合は、起動時と同様に、主回路側の方が高くなるので、自動的に主回路からの出力に切り替わる。
【００２９】
上記のように、停電保証回路は、スーパーキャパシタＳＣの充放電回路を主回路と分離し、トランス巻き線部分で付け合せることでスーパーキャパシタの使用電圧を下げる。これにより、停電保証回路でより長い時間のバックアップを可能とするため、スーパーキャパシタＳＣを大容量化した場合、この場合にも電源起動時にスーパーキャパシタＳＣが分離されていることからその電圧立ち上がりを速め、しかもスーパーキャパシタＳＣの充放電回路が低い耐電圧素子を使用してバックアップ機能を実現できる。また、スーパーキャパシタＳＣの充電電力をトランスＴ１の１次側から得ることで、充放電により大きい電圧変化を伴うスーパーキャパシタＳＣをバックアップ電源として使用できる。つまり、バックアップ電源としてバッテリを使用するのでは、使用電圧範囲が狭くなるのに対して、スーパーキャパシタＳＣでは使用電圧範囲を広くすることができ、より長時間のバックアップが可能となる。
【００３０】
（実施形態２）
図２は、本実施形態の回路構成を示す。同図が図１と異なる部分は、アクティブフィルタ回路２を省き、主回路による給電時にはスーパーキャパシタＳＣの出力制御を休止して一定時間毎の自動診断を行う点にある。
【００３１】
停電保証回路は、バックアップ電源としてスーパーキャパシタＳＣと、整流回路１の直流出力を電源としてスーパーキャパシタＳＣを充電制御する充電制御回路ＣＯＮと、スーパーキャパシタＳＣを電源としてトランスＴ１の入力に高周波正弦波電力を供給するスイッチング回路ＳＷで構成される。
【００３２】
ここで、充放電制御回路ＣＯＮの制御回路は、図１と同様の回路構成にして、チョッパ動作によってスーパーキャパシタＳＣの充電制御をするが、スイッチング回路３から負荷側に出力制御を行っている通常時には、ゲート回路ＧによってトランジスタＱ３へのゲート信号を遮断し、トランジスタＱ３をオフ状態（休止）にしておく。そして、充放電制御回路ＣＯＮは、ＡＣ電源の停電やコンデンサＣ８の電圧低下の始まりなど、主回路の機能喪失を検出したときに、ゲート回路Ｇによる信号遮断を停止させ、出力電圧制御回路５による出力制御を可能にする。この制御により、スーパーキャパシタＳＣからの放電電力を最小にし、ひいてはスーパーキャパシタＳＣヘの充電回数を削減し、電源変換効率を高めると共に、スーパーキャパシタＳＣの寿命を延ばす。
【００３３】
次に、充放電制御回路ＣＯＮは、タイマＴからの一定時間毎に時刻信号を取得し、この時刻信号を上記の休止期間に受けたとき、スーパーキャパシタＳＣの充放電制御を短時間だけ動作させるための制御を行う。この制御により、例えば、スーパーキャパシタＳＣの充電動作の確認と、トランジスタＱ３のスイッチング動作の確認を得る。この制御により、休止制御の自己診断、つまり無停電電源機能の信頼性を向上させる。
【００３４】
なお、実施形態１または２において、主回路構成およびバックアップ電源装置構成は適宜設計変更することができる。例えば、スーパーキャパシタＳＣの充電は、連続的な充電に限らず、間欠充電方式として同等の作用効果を得ることができる。また、実施形態２において、アクティブフィルタ回路２を設けた構成でもよい。また、スイッチング回路３，ＳＷはＰＷＭ制御に代えて、パルス幅制御としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態１を示す無停電電源機能付き電源装置の回路図。
【図２】本発明の実施形態２を示す無停電電源機能付き電源装置の回路図。
【符号の説明】
【００３６】
１  整流回路
２  アクティブフィルタ
３  スイッチング回路
４  整流出力回路
５  出力電圧制御回路
ＳＣ  スーパーキャパシタ
ＣＯＮ  充電制御回路
ＳＷ  スイッチング回路
【図１】
2008005565.tif 000003
【図２】
2008005565.tif 000004