(57)【要約】  第1(11)、第2(21)、及び第3(31)交流-直流変換器と、直流-直流変換器(41)と、多数の電気バス(60、61、62、63、64)に結合された少なくとも1つの直流-交流変換器(12)とを含む三相無停電電源(UPS) (5)。第1、第2、及び第3交流-直流変換器は、それぞれ交流電力を受け取り且つ多数の直流信号を多数の電気バスに与えるよう構成されている。直流-直流変換器は、多数の電気バスに存在する直流電圧を、バッテリ(50)を充電するために使用可能な直流電圧に変換するよう構成されている。直流-交流変換器は、多数の電気バスから直流電力を受け取り且つ交流出力を与えるよう構成されている。比較的低い直流電圧によって、優れた効率と小型化が実現される。
2010519890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無停電電源(UPS)であって、
複数の電気バスと、
前記電気バスに結合されると共に、第1入力交流電圧を受け取って該第1入力交流電圧を複数の直流電圧に変換するよう構成された第1交流-直流変換器であって、該複数の直流電圧を前記複数の電気バスに伝達するよう構成された第１交流-直流変換器と、
前記電気バスに結合されると共に、第2入力交流電圧を受け取って該第2入力交流電圧を前記複数の直流電圧に変換するよう構成された第2交流-直流変換器であって、前記複数の直流電圧を前記複数の電気バスに伝達するよう構成された第2交流-直流変換器と、
前記電気バスに結合されると共に、第3入力交流電圧を受け取って該第3入力交流電圧を前記複数の直流電圧に変換するよう構成された第3交流-直流変換器であって、前記複数の直流電圧を前記複数の電気バスに伝達するよう構成された第3交流-直流変換器と、
前記複数の電気バスに結合された直流-直流変換器であって、
前記複数の直流電圧をバッテリ直流電圧に変換し、
前記バッテリ直流電圧を前記複数の直流電圧に変換する、直流-直流変換器と、
前記複数の電気バスに結合されると共に、前記複数の直流電圧を受け取って前記複数の直流電圧を第1出力交流電圧に変換するよう構成された第1直流-交流変換器と、
前記電気バスに存在する電圧を所望のレベルに維持するよう構成された直流バスバランサーであって、エネルギーを前記複数の電気バス間で移送するよう構成された直流バスバランサーとを含み、
前記第1、第2、及び第3交流-直流変換器は、前記第1、第2、及び第3入力交流電圧が所定の閾値以内の時は、前記複数の直流電圧を前記複数の電気バスに伝達するよう構成されており、
前記直流-直流変換器は、前記第1、第2、及び第3入力交流電圧が前記所定の閾値以内でない時は、前記複数の直流電圧を前記複数の電気バスに伝達するよう構成されている、無停電電源(UPS)。
【請求項２】
前記複数の電気バスに結合されると共に、前記複数の直流電圧を受け取って前記複数の直流電圧を第2出力交流電圧に変換するよう構成された第2直流-交流変換器と、
前記複数の電気バスに結合されると共に、前記複数の直流電圧を受け取って前記複数の直流電圧を第3出力交流電圧に変換するよう構成された第3直流-交流変換器とをさらに含む、請求項1に記載のUPS。
【請求項３】
前記第1、第2、及び第3直流-交流変換器は三相電力を負荷に伝達するよう構成されている、請求項2に記載のUPS。
【請求項４】
前記直流-直流変換器は、前記第1、第2、及び第3入力交流電圧が所定の閾値以内の時は、前記複数の直流電圧を前記バッテリ電圧に変換するよう構成されており、
前記直流-直流変換器は、前記第1、第2、及び第3入力交流電圧が前記所定の閾値以内でない時は、前記バッテリ電圧を前記複数の直流電圧に変換するよう構成されている、請求項1に記載のUPS。
【請求項５】
バッテリが、前記直流-直流変換器に結合されると共に、
前記バッテリ直流電圧を受け取り且つ、前記バッテリ直流電圧により充電され、
前記バッテリ直流電圧を前記直流-直流変換器に伝達するよう構成されている、請求項1に記載のUPS。
【請求項６】
前記第1交流-直流変換器は三相電源の第1相に結合され、
前記第2交流-直流変換器は三相電源の第2相に結合され、
前記第3交流-直流変換器は三相電源の第3相に結合される、請求項1に記載のUPS。
【請求項７】
正のピーク電圧及び負のピーク電圧を備えた交流電力信号を受け取るよう構成された入力と、
第1、第2、第3、及び第4出力と、
前記入力に結合されたインダクタと、
前記インダクタと前記第1出力との間に直列で結合された第1及び第2スイッチであって、該第1スイッチが前記インダクタに結合されている、第1及び第2スイッチと、
前記第1及び第2スイッチの接合点と前記第2出力とに結合された第3スイッチと、
前記インダクタと前記第4出力との間に直列で結合された第4及び第5スイッチであって、該第4スイッチが前記インダクタに結合されている、第4及び第5スイッチと、
前記第4及び第5スイッチの接合点と前記第3出力とに結合された第6スイッチと、
前記第1スイッチと並列に結合された第1ダイオードと、
前記第2スイッチと並列に結合された第2ダイオードと、
前記第3スイッチと並列に結合された第3ダイオードと、
前記第4スイッチと並列に結合された第4ダイオードと、
前記第5スイッチと並列に結合された第5ダイオードと、
前記第6スイッチと並列に結合された第6ダイオードとを含む、交流-直流変換器。
【請求項８】
前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチに結合されたコントローラをさらに含む、請求項7に記載の交流-直流変換器。
【請求項９】
前記コントローラが前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチをオン/オフ切り替えされて、第1出力直流電圧が前記第1出力に伝達され、第2出力直流電圧が前記第2出力に伝達され、第3出力直流電圧が前記第3出力に伝達され、第4出力直流電圧が前記第4出力に伝達されるよう構成されている、請求項8に記載の交流-直流変換器。
【請求項１０】
前記第1出力直流電圧は、前記正のピーク入力電圧に
2010519890.tif 000011
を乗算したものに等しいかそれよりも大きく、
前記第2出力直流電圧は、前記第1出力直流電圧の三分の一に実質的に等しく、
前記第3出力直流電圧は、前記第4出力直流電圧の三分の一に実質的に等しく、
前記第4出力直流電圧は、前記負のピーク入力電圧に
2010519890.tif 000012
を乗算したものに等しいかそれよりも小さい、請求項9に記載の交流-直流変換器。
【請求項１１】
前記コントローラがさらに、
前記交流電力信号の瞬間電圧が、前記第1出力直流電圧と前記第2出力直流電圧との間である時、前記交流-直流変換器を第1状態で動作させ、該第1状態では、
前記第1スイッチはオンに切り替えられ、
前記第2スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、
前記第3スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、
前記第4スイッチはオフに切り替えられ、
前記第5スイッチはオフに切り替えられ、
前記第6スイッチはオンに切り替えられ、
前記交流電力信号の前記瞬間電圧が、前記第2出力直流電圧と前記第3出力直流電圧との間である時、前記交流-直流変換器を第2状態で動作させ、該第2状態では、
前記第1スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、
前記第2スイッチはオフに切り替えられ、
前記第3スイッチはオンに切り替えられ、
前記第4スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、
前記第5スイッチはオフに切り替えられ、
前記第6スイッチはオンに切り替えられ、
前記交流電力信号の前記瞬間電圧が、前記第3出力直流電圧と前記第4出力直流電圧との間である時、前記交流-直流変換器を第3状態で動作させ、該第3状態では、
前記第1スイッチはオフに切り替えられ、
前記第2スイッチはオフに切り替えられ、
前記第3スイッチはオンに切り替えられ、
前記第4スイッチはオンに切り替えられ、
前記第5スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、
前記第6スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされる、請求項8に記載の交流-直流変換器。
【請求項１２】
前記コントローラはパルス幅変調(PWM)コントローラである、請求項8に記載の交流-直流変換器。
【請求項１３】
前記PWMコントローラは、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチの駆動を制御するためフィードバックループを用いるよう構成されている、請求項12に記載の交流-直流変換器。
【請求項１４】
前記入力と中性との間に結合されたコンデンサをさらに含む、請求項7に記載の交流-直流変換器。
【請求項１５】
前記第1出力と前記第2出力との間に結合された第1コンデンサと、
前記第2出力と中性との間に結合された第2コンデンサと、
前記中性と前記第3出力との間に結合された第3コンデンサと、
前記第3出力と前記第4出力との間に結合された第4コンデンサとをさらに含む、請求項7に記載の交流-直流変換器。
【請求項１６】
正のピーク電圧及び負のピーク電圧を備えた交流電力信号を伝達するよう構成された直流-交流変換器であって、
前記交流電力信号を伝達するよう構成された出力と、
第1、第2、第3、及び第4入力であって、それぞれが各々の入力電圧を受け取るよう構成された第1、第2、第3、及び第4入力と、
前記出力に結合されたフィルタと、
前記フィルタと前記第1入力との間に直列で結合された第1及び第2スイッチであって、該第1スイッチが前記フィルタに結合されている、第1及び第2スイッチと、
前記第1及び第2スイッチの接合点と前記第2入力とに結合された第3スイッチと、
前記フィルタと前記第4入力との間に直列で結合された第4及び第5スイッチであって、該第4スイッチが前記フィルタに結合されている、第4及び第5スイッチと、
前記第4及び第5スイッチの接合点と前記第3入力とに結合された第6スイッチと、
前記第1スイッチと並列に結合された第1ダイオードと、
前記第2スイッチと並列に結合された第2ダイオードと、
前記第3スイッチと並列に結合された第3ダイオードと、
前記第4スイッチと並列に結合された第4ダイオードと、
前記第5スイッチと並列に結合された第5ダイオードと、
前記第6スイッチと並列に結合された第6ダイオードとを含む、直流-交流変換器。
【請求項１７】
前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチに結合されたコントローラをさらに含む、請求項16に記載の直流-交流変換器。
【請求項１８】
前記コントローラは、前記交流電力信号が前記出力で誘導されるように、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチをオン/オフ切り替えするよう構成されている、請求項17に記載の直流-交流変換器。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチをオン/オフ切り替えするよう構成されており、
前記出力交流電力信号の前記正のピーク電圧が、前記第1入力へ伝達される前記直流電圧に
2010519890.tif 000013
を乗算したものより小さくなるようにし、
前記出力交流電力信号の前記負のピーク電圧が、前記第4入力へ伝達される前記直流電圧に
2010519890.tif 000014
を乗算したものより大きくなるようにした、請求項18に記載の直流-交流変換器。
【請求項２０】
前記コントローラが、
前記交流電力信号が前記第1及び第2入力で伝達される前記直流電圧の間である時、前記直流-交流変換器を第1状態で動作させ、該第1状態では、
前記第1スイッチはオンに切り替えられ、
前記第2スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、
前記第3スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、
前記第4スイッチはオフに切り替えられ、
前記第5スイッチはオフに切り替えられ、
前記第6スイッチはオンに切り替えられ、
前記交流電力信号が前記第2及び第3入力で伝達される前記直流電圧の間である時、前記直流-交流変換器を第2状態で動作させ、該第2状態では、
前記第1スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、
前記第2スイッチはオフに切り替えられ、
前記第3スイッチはオンに切り替えられ、
前記第4スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、
前記第5スイッチはオフに切り替えられ、
前記第6スイッチはオンに切り替えられ、
前記交流電力信号が前記第3及び第4入力で伝達される前記直流電圧の間である時、前記直流-交流変換器を第3状態で動作させ、該第3状態では、
前記第1スイッチはオフに切り替えられ、
前記第2スイッチはオフに切り替えられ、
前記第3スイッチはオンに切り替えられ、
前記第4スイッチはオンに切り替えられ、
前記第5スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えらされ、
前記第6スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされる、請求項19に記載の直流-交流変換器。
【請求項２１】
前記フィルタが、
前記出力と第1及び第4スイッチの接合点との間に結合されたインダクタと、
前記出力と中性との間に結合されたコンデンサとを含む、請求項16に記載の直流-交流変換器。
【請求項２２】
前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチがパルス幅変調(PWM)コントローラにより制御されるよう構成されている、請求項16に記載の直流-交流変換器。
【請求項２３】
前記PWMコントローラは前記出力に結合され、前記出力の電圧レベルに従って前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチの駆動を制御するよう構成されている、請求項22に記載の直流-交流変換器。
【請求項２４】
前記第1入力と前記第2入力との間に結合された第1コンデンサと、
前記第2入力と中性との間に結合された第2コンデンサと、
前記中性と前記第3入力との間に結合された第3コンデンサと、
前記第3入力と前記第4入力との間に結合された第4コンデンサとをさらに含む、請求項16に記載の交流-直流変換器。
【請求項２５】
バッテリと共に用いるための直流-直流変換器であって、
前記バッテリに結合されるよう構成された第1及び第2バッテリノードと、
第1、第2、第3、及び第4バスノードと、
前記第1バスノードと前記第2バスノードとの間に直列で結合された第1及び第2スイッチであって、該第1スイッチが前記第1バスノードに結合され、該第2スイッチが前記第2バスノードに結合されている、第1及び第2スイッチと、
前記第1及び第2スイッチの接合点と、中性と、前記第1バッテリノードとに結合された第1バックブーストコンバータと、
前記第3バスノードと前記第4バスノードとの間に直列で結合された第3及び第4スイッチであって、該第3スイッチが前記第3バスノードに結合され、該第4スイッチが前記第4バスノードに結合されている、第3及び第4スイッチと、
前記第3及び第4スイッチの接合点と、前記中性と、前記第2バッテリノードとに結合された第2バックブーストコンバータと、
前記第1スイッチの両端に結合された第1ダイオードと、
前記第2スイッチの両端に結合された第2ダイオードと、
前記第3スイッチの両端に結合された第3ダイオードと、
前記第4スイッチの両端に結合された第4ダイオードとを含み、
前記直流-直流変換器は第1状態で動作して、前記第1、第2、第3、及び第4バスノードの少なくとも1つによって伝達されるエネルギーを用いて前記バッテリを充電するよう構成されており、
前記直流-直流変換器は第2状態で動作して、前記バッテリによって伝達されるエネルギーを用いて前記第1、第2、第3、及び第4バスノードの少なくとも1つに直流電圧を伝達するよう構成されている、直流-直流変換器。
【請求項２６】
前記第1状態では、前記第1及び第2バックブーストコンバータがバックコンバータとして機能し、
前記第2状態では、前記第1及び第2バックブーストコンバータがブーストコンバータとして機能する、請求項25に記載の直流-直流変換器。
【請求項２７】
前記第1バックブーストコンバータが、
前記第1及び第2スイッチの接合点と、前記第1バッテリノードとに結合された第1インダクタと、
前記第1バッテリノードと前記中性との間に結合された第1コンデンサとを含み、
前記第2バックブーストコンバータが、前記第3及び第4スイッチの接合点と前記第2バッテリノードとに結合された第2インダクタと、
前記第2バッテリノードと前記中性との間に結合された第2コンデンサとを含む、請求項25に記載の直流-直流変換器。
【請求項２８】
前記第1、第2、第3、及び第4スイッチに結合されたコントローラをさらに含む、請求項25に記載の直流-直流変換器。
【請求項２９】
前記コントローラが、
前記第1状態では、
前記第1及び第4スイッチを繰り返しオン/オフ切り替えし、
前記第2及び第3スイッチをオフ状態に切り替え、
前記第2状態では、
前記第1及び第4スイッチをオフ状態に切り替え、
前記第2及び第3スイッチを繰り返しオン/オフ切り替えするよう構成された、請求項28に記載の直流-直流変換器。
【請求項３０】
前記コントローラはパルス幅変調(PWM)コントローラである、請求項28に記載の直流-直流変換器。
【請求項３１】
前記コントローラは、前記第1、第2、第3、及び第4スイッチを制御するためフィードバックループを用いるよう構成されている、請求項28に記載の直流-直流変換器。
【請求項３２】
前記中性に結合された第3バッテリノードをさらに含む、請求項25に記載の直流-直流変換器。
【請求項３３】
前記第1バスノードと前記第2バスノードとの間に結合された第1コンデンサと、
前記第2バスノードと前記中性との間に結合された第2コンデンサと、
前記中性ノードと前記第3ノードとの間に結合された第3コンデンサと、
前記第3バスノードと前記第4バスノードとの間に結合された第4コンデンサとをさらに含む、請求項25に記載の直流-直流変換器。
【請求項３４】
第1、第2、第3、及び第4電圧を含む4レベルの直流電圧と共に用いる回路であって、
前記4レベルの直流電力を受け取るよう構成された第1、第2、第3、及び第4ノードと、
前記第1ノードと前記第4ノードとの間に直列で結合された第1第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチであって、前記第2ノードが前記第2及び第3スイッチの接合点に結合され、前記第3ノードが前記第4及び第5スイッチの接合点に結合されている、第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチと、
前記第1スイッチと並列に結合された第1ダイオードと、
前記第2スイッチと並列に結合された第2ダイオードと、
前記第3スイッチと並列に結合された第3ダイオードと、
前記第4スイッチと並列に結合された第4ダイオードと、
前記第5スイッチと並列に結合された第5ダイオードと、
前記第6スイッチと並列に結合された第6ダイオードと、
前記第1及び第2スイッチの接合点と、前記第3及び第4スイッチの接合点とに結合された第1共振タンクと、
前記第3及び第4スイッチの接合点と、前記第5及び第6スイッチの接合点とに結合された第2共振タンクとを含み、
前記第1及び第2共振タンクは、前記第1電圧の絶対値が前記第4電圧の絶対値と異なる場合は前記第1、第2、第3、及び第4ノードのうち少なくとも2つの間でエネルギーを移動するよう構成されており、
前記第1及び第2共振タンクは、前記第2電圧の絶対値が前記第3電圧の絶対値と異なる場合は前記第1、第2、第3、及び第4ノードのうち少なくとも2つの間でエネルギーを移動するよう構成されている、回路。
【請求項３５】
前記第1共振タンクは第1インダクタと直列で結合された第1コンデンサを含み、
前記第2共振タンクは第2インダクタと直列で結合された第2コンデンサを含む、請求項34に記載の回路。
【請求項３６】
前記回路が、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチを各々のオン/オフ状態に駆動するよう構成されたコントローラをさらに含む、請求項34に記載の回路。
【請求項３７】
前記コントローラはパルス幅変調(PWM)コントローラである、請求項36に記載の回路。
【請求項３８】
前記コントローラは、前記回路を2つの状態の一方で動作させるよう構成されており、
第1状態では、前記第1、第3、及び第5スイッチが各々のオン状態であり、前記第2、第4、及び第6スイッチは各々のオフ状態であり、
第2状態では、前記第1、第3、及び第5スイッチが各々のオフ状態であり、前記第2、第4、及び第6スイッチは各々のオン状態に駆動される、請求項36に記載の回路。
【請求項３９】
前記コントローラは、前記回路を、前記第1及び第2共振タンクの共振周波数に概ね等しい周波数において前記第1状態と前記第2状態との間で繰り返し交互に切り替える、請求項36に記載の回路。
【請求項４０】
前記コントローラは、前記回路を前記第1状態と前記第2状態との間で繰り返し交互に切り替えて、前記第1及び第4電圧の絶対値が実質的に等しく且つ前記第2及び第3電圧の絶対値が実質的に等しい時は、前記第2及び第3スイッチの接合点と、前記第3及び第4スイッチの接合点と、前記第5及び第6スイッチの接合点とに誘導される方形波の振幅が概ね等しくなるように構成されている、請求項36に記載の回路。
【請求項４１】
前記コントローラは、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチを、前記第1状態と前記第2状態との間で実質的に50％のデューティサイクルで切り替えるよう構成されている、請求項36に記載の回路。
【請求項４２】
前記第3及び第4スイッチの接合点と中性との間に結合された第3インダクタをさらに含む、請求項34に記載の回路。
【請求項４３】
第1コンデンサが前記第1ノードと前記第2ノードとの間に結合され、
第2コンデンサが前記第2ノードと中性との間に結合され、
第3コンデンサが前記中性と前記第2ノードとの間に結合され、
第4コンデンサが前記第3ノードと前記第4ノードとの間に結合された、をさらに含む、請求項34に記載の回路。
【請求項４４】
交流-直流変換器であって、
正のピーク電圧及び負のピーク電圧を備えた交流電力信号を受け取るよう構成された入力と、
第1、第2、第3、及び第4出力と、
前記入力に接続されたインダクタと、
前記インダクタと前記第1及び第2出力とに結合されると共に、少なくとも3つの状態で動作するよう構成された第1回路であって、
第1状態では、前記第1回路は、前記インダクタが帯電するよう構成され、第1の実質的に直流の電圧が前記第2出力に伝達され、
第2状態では、前記第1回路は、前記インダクタが放電するよう構成され、第2の実質的に直流の電圧が前記第1出力に伝達され、
第3状態では、前記第1回路は、前記インダクタが放電するよう構成され、前記第1の実質的に直流の電圧が前記第2出力に伝達される、第1回路と、
前記インダクタと前記第3及び第4出力とに結合されると共に、少なくとも3つの状態で動作するよう構成された第2回路であって、
第１状態では、前記第2回路は、前記インダクタが帯電するよう構成され、第3の実質的に直流の電圧が前記第3出力に伝達され、
第2状態では、前記第2回路は、前記インダクタが放電するよう構成され、第4の実質的に直流の電圧が前記第4出力に伝達され、
第3状態では、前記第2回路は、前記インダクタが帯電するよう構成され、前記第3の実質的に直流の電圧が前記第3出力に伝達される、第2回路とを含む、交流-直流変換器。
【請求項４５】
前記第1及び第4の実質的に直流の電圧の絶対値が実質的に等しく、
前記第2及び第3の実質的に直流の電圧の絶対値が実質的に等しい、請求項44に記載の交流-直流変換器。
【請求項４６】
前記第1の実質的に直流の電圧は、前記正のピーク入力電圧に
2010519890.tif 000015
を乗算したものに等しいかそれよりも大きく、
前記第2の実質的に直流の電圧は、前記第1の実質的に直流の電圧の三分の一に実質的に等しく、
前記第3の実質的に直流の電圧は、前記第4の実質的に直流の電圧の三分の一に実質的に等しく、
前記の実質的に直流の電圧は、前記負のピーク入力電圧に
2010519890.tif 000016
を乗算したものに実質的に等しいかそれよりも小さい、請求項44に記載の交流-直流変換器。
【請求項４７】
前記第1及び第2回路がどの状態で動作するかを制御するよう構成されたコントローラをさらに含む、請求項44に記載の交流-直流変換器。
【請求項４８】
前記コントローラが、
前記第1回路が前記第1及び第2状態で動作する時のデューティサイクルを変化させ、且つ
前記第2回路が前記第1及び第2状態で動作する時のデューティサイクルを変化させるよう構成されている、請求項47に記載の交流-直流変換器。
【請求項４９】
前記コントローラはパルス幅変調(PWM)コントローラである、請求項47に記載の交流-直流変換器。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
電圧変換器を含む無停電電源(UPS)は、コンピュータ及びデータセンターにおけるサーバの電力供給装置など多くの電気系統の基本的な構成要素である。UPSは単相及び三相接続を含む多くの典型的な電力系統と共に用いたり、低電力系統(例えば家庭用コンピュータ)や高電力系統(例えば大型データセンター又は処理施設)と共に用いたりすることができる。高電力系統は典型的には三相接続(例えばX、Y、及びZ相)を用いる。三相UPS電圧変換器は、三相交流電力を三相負荷に与えたり、三相交流電圧をあるレベルから他のレベルに変換したり、停電発生時に三相電力を負荷に与えるために使われることが多い。三相UPS電圧変換器への入力及び出力接続は、典型的には3つ又は4つの端子の接続であり、三相電力接続の各相とオプションの中性接続とからなる。バッテリも典型的にはUPS電圧変換器に接続され、停電時に使用するエネルギーを蓄えるために使用される。
【０００２】
典型的な高電力(例えば300kWを上回る)UPSは、3 x 400V(ヨーロッパでは)又は3 x 480V(米国では)の公称交流入力電圧を用いて動作している。トランスレス式UPSは±450
Vの内部直流バス電圧で動作させることもある。こうした構成では、UPSに含まれる構成要素は、物理的に大型の絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)モジュールのストレイ・インダクタンスに関連した大きな電圧オーバーシュートのため、定格が少なくとも1200Vであることが好ましい。しかし、1200Vの構成要素を使用すると、典型的には導電及びスイッチング損失が増大し、従って効率が低下する。
【発明の概要】
【０００３】
概して、一様態において、本発明はUPSを提供し、該UPSは、複数の電気バスと、前記電気バスに結合されると共に、第1入力交流電圧を受け取って該第1入力交流電圧を複数の直流電圧に変換するよう構成された第1交流-直流変換器であって、該複数の直流電圧を前記複数の電気バスに伝達するよう構成された第１交流-直流変換器と、前記電気バスに結合されると共に、第2入力交流電圧を受け取って該第2入力交流電圧を前記複数の直流電圧に変換するよう構成された第2交流-直流変換器であって、前記複数の直流電圧を前記複数の電気バスに伝達するよう構成された第2交流-直流変換器と、前記電気バスに結合されると共に、第3入力交流電圧を受け取って該第3入力交流電圧を前記複数の直流電圧に変換するよう構成された第3交流-直流変換器であって、前記複数の直流電圧を前記複数の電気バスに伝達するよう構成された第3交流-直流変換器と、前記複数の電気バスに結合された直流-直流変換器であって、前記複数の直流電圧をバッテリ直流電圧に変換し、前記バッテリ直流電圧を前記複数の直流電圧に変換する、直流-直流変換器と、前記複数の電気バスに結合されると共に、前記複数の直流電圧を受け取って前記複数の直流電圧を第1出力交流電圧に変換するよう構成された第1直流-交流変換器と、前記電気バスに存在する電圧を所望のレベルに維持するよう構成された直流バスバランサーであって、エネルギーを前記複数の電気バス間で移送するよう構成された直流バスバランサーとを含み、前記第1、第2、及び第3交流-直流変換器は、前記第1、第2、及び第3入力交流電圧が所定の閾値以内の時は、前記複数の直流電圧を前記複数の電気バスに伝達するよう構成されており、前記直流-直流変換器は、前記第1、第2、及び第3入力交流電圧が前記所定の閾値以内でない時は、前記複数の直流電圧を前記複数の電気バスに伝達するよう構成されている。
【０００４】
本発明の実施形態は、次の特徴の内１つ又は複数を提供することができる。前記UPSは、前記複数の電気バスに結合されると共に、前記複数の直流電圧を受け取って前記複数の直流電圧を第2出力交流電圧に変換するよう構成された第2直流-交流変換器と、前記複数の電気バスに結合されると共に、前記複数の直流電圧を受け取って前記複数の直流電圧を第3出力交流電圧に変換するよう構成された第3直流-交流変換器とをさらに含む。前記第1、第2、及び第3直流-交流変換器は三相電力を負荷に伝達するよう構成されている。前記直流-直流変換器は、前記第1、第2、及び第3入力交流電圧が前記所定の閾値以内である時は、前記複数の直流電圧を前記バッテリ電圧に変換するよう構成されており、前記直流-直流変換器は、前記第1、第2、及び第3入力交流電圧が前記所定の閾値以内でない時は、前記バッテリ電圧を前記複数の直流電圧に変換するよう構成されている。バッテリが、前記直流-直流変換器に結合されると共に、前記バッテリ直流電圧を受け取り且つ、前記バッテリ直流電圧により充電され、前記バッテリ直流電圧を前記直流-直流変換器に伝達するよう構成されている。前記第1交流-直流変換器は三相電源の第1相に結合され、前記第2交流-直流変換器は三相電源の第2相に結合され、前記第3交流-直流変換器は三相電源の第3相に結合される。
【０００５】
概して、別の様態において、本発明は交流-直流変換器を提供し、該交流-直流変換器が、正のピーク電圧及び負のピーク電圧を備えた交流電力信号を受け取るよう構成された入力と、第1、第2、第3、及び第4出力と、前記入力に接続されたインダクタと、前記インダクタと前記第1出力との間に直列で結合された第1及び第2スイッチであって、該第1スイッチが前記インダクタに結合されている、第1及び第2スイッチと、前記第1及び第2スイッチの接合点と前記第2出力とに結合された第3スイッチと、前記インダクタと前記第4出力との間に直列で結合された第4及び第5スイッチであって、該第4スイッチが前記インダクタに結合されている、第4及び第5スイッチと、前記第4及び第5スイッチの接合点と前記第3出力とに結合された第6スイッチと、前記第1スイッチと並列に結合された第1ダイオードと、前記第2スイッチと並列に結合された第2ダイオードと、前記第3スイッチと並列に結合された第3ダイオードと、前記第4スイッチと並列に結合された第4ダイオードと、前記第5スイッチと並列に結合された第5ダイオードと、前記第6スイッチと並列に結合された第6ダイオードとを含む。
【０００６】
本発明の実施形態は、次の特徴の内１つ又は複数をさらに提供することができる。前記交流-直流変換器は、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチに結合されたコントローラをさらに含む。前記コントローラが前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチをオン/オフ切り替えされて、第1出力直流電圧が前記第1出力に伝達され、第2出力直流電圧が前記第2出力に伝達され、第3出力直流電圧が前記第3出力に伝達され、第4出力直流電圧が前記第4出力に伝達されるよう構成されている。前記第4出力直流電圧は、前記負のピーク入力電圧に
2010519890.tif 000003
を乗算したものに等しいかそれよりも小さく、前記第2出力直流電圧は、前記第1出力直流電圧の三分の一に実質的に等しく、前記第3出力直流電圧は、前記第4出力直流電圧の三分の一に実質的に等しく、前記第4出力直流電圧は、前記負のピーク入力電圧に
2010519890.tif 000004
を乗算したものに等しいかそれよりも小さい。
【０００７】
本発明の実施形態は、次の特徴の内１つ又は複数をさらに提供することができる。前記コントローラがさらに、前記交流電力信号の瞬間電圧が、前記第1出力直流電圧と前記第2出力直流電圧との間である時、前記交流-直流変換器を第1状態で動作させ、該第1状態では、前記第1スイッチはオンに切り替えられ、前記第2スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、前記第3スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、前記第4スイッチはオフに切り替えられ、前記第5スイッチはオフに切り替えられ、前記第6スイッチはオンに切り替えられ、前記交流電力信号の前記瞬間電圧が、前記第2出力直流電圧と前記第3出力直流電圧との間である時、前記交流-直流変換器を第2状態で動作させ、該第2状態では、前記第1スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、前記第2スイッチはオフに切り替えられ、前記第3スイッチはオンに切り替えられ、前記第4スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、前記第5スイッチはオフに切り替えられ、前記第6スイッチはオンに切り替えられ、前記交流電力信号の前記瞬間電圧が、前記第3出力直流電圧と前記第4出力直流電圧との間である時、前記交流-直流変換器を第3状態で動作させ、該第3状態では、前記第1スイッチはオフに切り替えられ、前記第2スイッチはオフに切り替えられ、前記第3スイッチはオンに切り替えられ、前記第4スイッチはオンに切り替えられ、前記第5スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えらされ、前記第6スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされる。前記コントローラはパルス幅変調(PWM)コントローラである。前記PWMコントローラは、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチの駆動を制御するためフィードバックループを用いるよう構成されている。善意交流-直流変換器は、前記入力と中性との間に結合されたコンデンサをさらに含む。前記交流-直流変換器は、前記第1出力と前記第2出力との間に結合された第1コンデンサと、前記第2出力と中性との間に結合された第2コンデンサと、前記中性と前記第3出力との間に結合された第3コンデンサと、前記第3出力と前記第4出力との間に結合された第4コンデンサとをさらに含む。
【０００８】
概して、本発明は、別の様態において、正のピーク電圧及び負のピーク電圧を備えた交流電力信号を伝達するよう構成された直流-交流変換器を提供し、該直流-交流変換器が、前記交流電力信号を伝達するよう構成された出力と、第1、第2、第3、及び第4入力であって、それぞれが各々の入力電圧を受け取るよう構成された第1、第2、第3、及び第4入力と、前記出力に結合されたフィルタと、前記フィルタと前記第1入力との間に直列で結合された第1及び第2スイッチであって、該第1スイッチが前記フィルタに結合されている、第1及び第2スイッチと、前記第1及び第2スイッチの接合点と前記第2入力とに結合された第3スイッチと、前記フィルタと前記第4入力との間に直列で結合された第4及び第5スイッチであって、該第4スイッチが前記フィルタに結合されている、第4及び第5スイッチと、前記第4及び第5スイッチの接合点と前記第3入力とに結合された第6スイッチと、前記第1スイッチと並列に結合された第1ダイオードと、前記第2スイッチと並列に結合された第2ダイオードと、前記第3スイッチと並列に結合された第3ダイオードと、前記第4スイッチと並列に結合された第4ダイオードと、前記第5スイッチと並列に結合された第5ダイオードと、前記第6スイッチと並列に結合された第6ダイオードとを含む。
【０００９】
本発明の実施形態は、次の特徴の内１つ又は複数を提供することができる。前記直流-交流変換器は、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチに結合されたコントローラをさらに含む。前記コントローラは、前記交流電力信号が前記出力で誘導されるように、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチをオン/オフ切り替えするよう構成されている。前記コントローラは、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチをオン/オフ切り替えするよう構成されており、前記出力交流電力信号の前記正のピーク電圧が、前記第1入力へ伝達される前記直流電圧に
2010519890.tif 000005
を乗算したものより小さくなるようにし、前記出力交流電力信号の前記負のピーク電圧が、前記第4入力へ伝達される前記直流電圧に
2010519890.tif 000006
を乗算したものより大きくなるようにする。
【００１０】
前記コントローラが、前記交流電力信号が前記第1及び第2入力で伝達される前記直流電圧の間である時、前記直流-交流変換器を第1状態で動作させ、該第1状態では、前記第1スイッチはオンに切り替えられ、前記第2スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、前記第3スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、前記第4スイッチはオフに切り替えられ、前記第5スイッチはオフに切り替えられ、前記第6スイッチはオンに切り替えられ、前記交流電力信号が前記第2及び第3入力で伝達される前記直流電圧の間である時、前記直流-交流変換器を第2状態で動作させ、該第2状態では、前記第1スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、前記第2スイッチはオフに切り替えられ、前記第3スイッチはオンに切り替えられ、前記第4スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされ、前記第5スイッチはオフに切り替えられ、前記第6スイッチはオンに切り替えられ、前記交流電力信号が前記第3及び第4入力で伝達される前記直流電圧の間である時、前記直流-交流変換器を第3状態で動作させ、該第3状態では、前記第1スイッチはオフに切り替えられ、前記第2スイッチはオフに切り替えられ、前記第3スイッチはオンに切り替えられ、前記第4スイッチはオンに切り替えられ、前記第5スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えらされ、前記第6スイッチは繰り返しオン/オフ切り替えされる。
【００１１】
本発明の実施形態は、次の特徴の内１つ又は複数をさらに提供することができる。前記フィルタは、前記出力と第1及び第4スイッチの接合点との間に結合されたインダクタと、前記出力と中性との間に結合されたコンデンサとを含む。前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチがパルス幅変調(PWM)コントローラにより制御されるよう構成されている。前記PWMコントローラは前記出力に結合され、前記出力の電圧レベルに従って前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチの駆動を制御するよう構成されている。前記交流-直流変換器は、前記第1入力と前記第2入力との間に結合された第1コンデンサと、前記第2入力と中性との間に結合された第2コンデンサと、前記中性と前記第3入力との間に結合された第3コンデンサと、前記第3入力と前記第4入力との間に結合された第4コンデンサとをさらに含む。
【００１２】
概して、別の様態において、本発明はバッテリと共に用いるための直流-直流変換器を提供し、該直流-直流変換器が、前記バッテリに結合されるよう構成された第1及び第2バッテリノードと、第1、第2、第3、及び第4バスノードと、前記第1バスノードと前記第2バスノードとの間に直列で結合された第1及び第2スイッチであって、該第1スイッチが前記第1バスノードに結合され、該第2スイッチが前記第2バスノードに結合されている、第1及び第2スイッチと、前記第1及び第2スイッチの接合点と、中性と、前記第1バッテリノードとに結合された第1バックブーストコンバータと、前記第3バスノードと前記第4バスノードとの間に直列で結合された第3及び第4スイッチであって、該第3スイッチが前記第3バスノードに結合され、該第4スイッチが前記第4バスノードに結合されている、第3及び第4スイッチと、前記第3及び第4スイッチの接合点と、前記中性と、前記第2バッテリノードとに結合された第2バックブーストコンバータと、前記第1スイッチの両端に結合された第1ダイオードと、前記第2スイッチの両端に結合された第2ダイオードと、前記第3スイッチの両端に結合された第3ダイオードと、前記第4スイッチの両端に結合された第4ダイオードとを含み、前記直流-直流変換器は第1状態で動作して、前記第1、第2、第3、及び第4バスノードの少なくとも1つによって伝達されるエネルギーを用いて前記バッテリを充電するよう構成されており、前記直流-直流変換器は第2状態で動作して、前記バッテリによって伝達されるエネルギーを用いて前記第1、第2、第3、及び第4バスノードの少なくとも1つに直流電圧を伝達するよう構成されている。
【００１３】
本発明の実施形態は、次の特徴の内１つ又は複数を提供することができる。前記第1状態では、前記第1及び第2バックブーストコンバータがバックコンバータとして機能し、前記第2状態では、前記第1及び第2バックブーストコンバータがブーストコンバータとして機能する。前記第1バックブーストコンバータが、前記第1及び第2スイッチの接合点と、前記第1バッテリノードとに結合された第1インダクタと、前記第1バッテリノードと前記中性との間に結合された第1コンデンサとを含み、前記第2バックブーストコンバータが、前記第3及び第4スイッチの接合点と前記第2バッテリノードとに結合された第2インダクタと、前記第2バッテリノードと前記中性との間に結合された第2コンデンサとを含む。前記直流-直流変換器が、前記第1、第2、第3、及び第4スイッチに結合されたコントローラをさらに含む。前記コントローラが、前記第1状態では、前記第1及び第4スイッチを繰り返しオン/オフ切り替えし、前記第2及び第3スイッチをオフ状態に切り替え、前記第2状態では、前記第1及び第4スイッチをオフ状態に切り替え、前記第2及び第3スイッチを繰り返しオン/オフ切り替えするよう構成されている。前記コントローラはパルス幅変調(PWM)コントローラである。前記コントローラは、前記第1、第2、第3、及び第4スイッチを制御するためフィードバックループを用いるよう構成されている。前記直流-直流変換器は、前記中性に結合された第3バッテリノードをさらに含む。前記直流-直流変換器は、前記第1バスノードと前記第2バスノードとの間に結合された第1コンデンサと、前記第2バスノードと前記中性との間に結合された第2コンデンサと、前記中性ノードと前記第3ノードとの間に結合された第3コンデンサと、前記第3バスノードと前記第4バスノードとの間に結合された第4コンデンサとをさらに含む。
【００１４】
概して、別の様態において、本発明は、第1、第2、第3、及び第4電圧を含む4レベルの直流電圧と共に用いる回路を提供し、該回路は、前記4レベルの直流電力を受け取るよう構成された第1、第2、第3、及び第4ノードと、前記第1ノードと前記第4ノードとの間に直列で結合された第1第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチであって、前記第2ノードが前記第2スイッチと前記第3スイッチとの接合点に結合され、前記第3ノードが前記第4スイッチと前記第5スイッチとの接合点に結合されている、第1第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチと、前記第1スイッチと並列に結合された第1ダイオードと、前記第2スイッチと並列に結合された第2ダイオードと、前記第3スイッチと並列に結合された第3ダイオードと、前記第4スイッチと並列に結合された第4ダイオードと、前記第5スイッチと並列に結合された第5ダイオードと、前記第6スイッチと並列に結合された第6ダイオードと、前記第1及び第2スイッチの接合点と、前記第3及び第4スイッチの接合点とに結合された第1共振タンクと、前記第3及び第4スイッチの接合点と、前記第5及び第6スイッチの接合点とに結合された第2共振タンクとを含み、前記第1及び第2共振タンクは、前記第1電圧の絶対値が前記第4電圧の絶対値と異なる場合は前記第1、第2、第3、及び第4ノードのうち少なくとも2つの間でエネルギーを移動するよう構成されており、前記第1及び第2共振タンクは、前記第2電圧の絶対値が前記第3電圧の絶対値と異なる場合は前記第1、第2、第3、及び第4ノードのうち少なくとも2つの間でエネルギーを移動するよう構成されている。
【００１５】
本発明の実施形態は、次の特徴の内１つ又は複数を提供することができる。前記第1共振タンクは第1インダクタと直列で結合された第1コンデンサを含み、前記第2共振タンクは第2インダクタと直列で結合された第2コンデンサを含む。前記回路が、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチを各々のオン/オフ状態に駆動するよう構成されたコントローラをさらに含む。前記コントローラはパルス幅変調(PWM)コントローラである。前記コントローラは、前記回路を2つの状態の一方で動作させるよう構成されており、第1状態では、前記第1、第3、及び第5スイッチが各々のオン状態であり、前記第2、第4、及び第6スイッチは各々のオフ状態であり、第2状態では、前記第1、第3、及び第5スイッチが各々のオフ状態であり、前記第2、第4、及び第6スイッチは各々のオン状態に駆動される。前記コントローラは、前記回路を、前記第1及び第2共振タンクの共振周波数に概ね等しい周波数において前記第1状態と前記第2状態との間で繰り返し交互に切り替える。前記コントローラは、前記回路を前記第1状態と前記第2状態との間で繰り返し交互に切り替えて、前記第1及び第4電圧の絶対値が実質的に等しく且つ前記第2及び第3電圧の絶対値が実質的に等しい時は、前記第2及び第3スイッチの接合点と、前記第3及び第4スイッチの接合点と、前記第5及び第6スイッチの接合点とに誘導される方形波の振幅が概ね等しくなるように構成されている。前記コントローラは、前記第1、第2、第3、第4、第5、及び第6スイッチを、前記第1状態と前記第2状態との間で実質的に50％のデューティサイクルで切り替えるよう構成されている。前記回路は、前記第3及び第4スイッチの接合点と中性との間に結合された第3インダクタをさらに含む。前記回路は、第1コンデンサが前記第1ノードと前記第2ノードとの間に結合され、第2コンデンサが前記第2ノードと中性との間に結合され、第3コンデンサが前記中性と前記第2ノードとの間に結合され、第4コンデンサが前記第3ノードと前記第4ノードとの間に結合された、をさらに含む。
【００１６】
概して、別の様態において、本発明は直流-交流変換器を提供し、該直流-交流変換器が、正のピーク電圧及び負のピーク電圧を備えた交流電力信号を受け取るよう構成された入力と、第1、第2、第3、及び第4出力と、前記入力に接続されたインダクタと、前記インダクタと前記第1及び第2出力とに結合されると共に、少なくとも3つの状態で動作するよう構成された第1回路であって、第1状態では、前記第1回路は、前記インダクタが帯電するよう構成され、第1の実質的に直流の電圧が前記第2出力に伝達され、第2状態では、前記第1回路は、前記インダクタが放電するよう構成され、第2の実質的に直流の電圧が前記第1出力に伝達され、第3状態では、前記第1回路は、前記インダクタが放電するよう構成され、前記第1の実質的に直流の電圧が前記第2出力に伝達される、第1回路と、前記インダクタと前記第3及び第4出力とに結合されると共に、少なくとも3つの状態で動作するよう構成された第2回路であって、第１状態では、前記第2回路は、前記インダクタが帯電するよう構成され、第3の実質的に直流の電圧が前記第3出力に伝達され、第2状態では、前記第2回路は、前記インダクタが放電するよう構成され、第4の実質的に直流の電圧が前記第4出力に伝達され、第3状態では、前記第2回路は、前記インダクタが帯電するよう構成され、前記第3の実質的に直流の電圧が前記第3出力に伝達される、第2回路とを含む。
【００１７】
本発明の実施形態は、次の特徴の内１つ又は複数を提供することができる。前記第1及び第4の実質的に直流の電圧の絶対値が実質的に等しく、前記第2及び第3の実質的に直流の電圧の絶対値が実質的に等しい。前記第1の実質的に直流の電圧は、前記正のピーク入力電圧に
2010519890.tif 000007
を乗算したものに等しいかそれよりも大きく、前記第2の実質的に直流の電圧は、前記第1の実質的に直流の電圧の三分の一に実質的に等しく、前記第3の実質的に直流の電圧は、前記第4の実質的に直流の電圧の三分の一に実質的に等しく、前記の実質的に直流の電圧は、前記負のピーク入力電圧に
2010519890.tif 000008
を乗算したものに実質的に等しいかそれよりも小さい。
【００１８】
前記交流-直流変換器は、前記第1及び第2回路がどの状態で動作するかを制御するよう構成されたコントローラをさらに含む。前記コントローラが、前記第1回路が前記第1及び第2状態で動作する時のデューティサイクルを変化させ、且つ前記第2回路が前記第1及び第2状態で動作する時のデューティサイクルを変化させるよう構成されている。前記コントローラはパルス幅変調(PWM)コントローラである。
【００１９】
本発明の様々な様態は、次の特徴の内１つ又は複数を提供することができる。信頼性が高い三相電力を負荷に与えることができる。三相UPSの物理的大きさが従来の技術に比べて減少可能である。従来の技術に比べ効率を向上可能である。トランスレス方式回路を用いて、交流電力を直流に、直流電力を交流に、直流電力を第1電圧から第2電圧に変換できる。IGBTスイッチング損失が従来の技術に比べて減少可能である。従来の技術に比べて電圧定格が低い構成要素を使用できる。熱損失が従来の技術に比べて減少可能である。従来の技術に比べてフライングコンデンサ及び/又はクランプダイオードに対する要求を減少させられる。UPSと共に用いるバッテリの電圧が従来の技術に比べて減少可能である。三相UPSに与えられる電圧と、三相UPSの出力から得られる電力との不釣り合いが原因となる不平衡動作が、トランスを用いなくても補正できる。
【００２０】
本発明の上述及び他の機能並びに本発明そのものは、次の図面、詳細な説明、及び特許請求の範囲を参照すればより完全に理解できるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】三相UPSのブロックダイヤグラムである。
【図２】交流-直流変換器の回路図である。
【図３】図2の交流-直流変換器に与えられる代表的な電力信号を表すグラフである。
【図４】(A)乃至(C)  図2の交流-直流変換器のスイッチングの状態を表すグラフである。
【図５】パルス幅変調制御回路の回路図である。
【図６】図5のパルス幅変調制御回路と共に用いる代表的な制御信号のグラフである。
【図７】直流-交流変換器の回路図である。
【図８】代表的な交流及び直流電力信号を表すグラフである。
【図９】(A)乃至(C)  図8の直流-交流変換器のスイッチの状態を表すグラフである。
【図１０】交流-交流変換器の回路図である。
【図１１】直流-直流変換器の回路図である。
【図１２】直流バスバランサーの回路図である。
【図１３】図12の直流バスバランサーに含まれたスイッチを制御するための代表的な信号を表すグラフである。
【図１４】図1に示した三相UPSから電力を供給する処理のフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施形態は、負荷に無停電三相の電力を与えるための技法を提供する。例えば、トランスレス方式の三相無停電電源は、交流-直流変換器(例えば力率補正モジュール)、直流-交流変換器(例えばインバータ)、直流-直流変換モジュール、複数の直流バス、及び直流バスバランサーを含む。交流-直流変換器は三相交流電力(例えば3
x 400 V又は 3 x 480 V相-相)を三相電源から受け取り、その三相電力を直流電力に変換する(例えば複数の電圧レベルで)。交流-直流変換器は、それぞれ三相交流接続の1つの相を受け取る。通常の動作では(例えば、安定した三相電力が三相電源から供給されている時は)、直流バスに存在する直流電力が直流-交流変換器に電力を与える。更に、通常の動作において、直流-直流変換器は、直流バスに存在する直流電力をバッテリ充電用の電圧に変換する。それ以外の時(例えば、三相電力が不十分か利用できない時)は、バッテリから直流電力が直流-直流変換器に供給される。これら直流-直流変換器は、直流電力を三相交流電力に変換する(例えば、直流-交流変換器それぞれが三相信号の1つの相を与える)。交流-直流変換器が受け取る電圧と、直流-交流変換器が与える電圧は同じでもよいし、異なっていてもよい。通常の動作時又はそれ以外で、直流バスバランサーは、直流バス間でエネルギーを移すことにより直流バスに存在する電圧を釣り合わせる。これ以外の実施形態も本発明の範囲に入る。
【００２３】
図1を参照すると、UPS5は、交流-交流モジュール10、20、及び30と、直流-直流モジュール40と、バッテリ50と、バス60、61、62、63、及び64とを含む。交流-交流モジュール10は、バス60、61、62、63、及び64を介して直流-交流変換器12に接続された交流-直流変換器11を含む。交流-交流モジュール20は、バス60、61、62、63、及び64を介して直流-交流変換器22に接続された交流-直流変換器21を含む。交流-交流モジュール30は、バス60、61、62、63、及び64を介して直流-交流変換器32に接続された交流-直流変換器31を含む。直流-直流モジュール40は直流-直流変換器41と直流バスバランサー42とを含む。直流-直流変換器41は、バス60、61、62、63、及び64を介して直流バスバランサー42に接続されている。交流-交流モジュール10、20、及び30は、バス60、61、62、63、及び64を介して相互接続されている。UPS5は、UPS5に接続された三相交流給電及び/又はバッテリ50に蓄えられたエネルギーから負荷(図示しない)に電力を供給するよう構成されている。
【００２４】
直流-直流モジュール10、20、及び30それぞれは、第1交流電圧で三相給電の1つの相(例えばX、Y、又はZ相)を受け取り、出力を介して第2交流電圧で提供するよう構成されている。交流-直流変換器11は入力13及び14を含み、交流-直流変換器21は入力23及び24を含み、交流-直流変換器31は入力33及び34を含む。直流-交流変換器12は出力15及び16を含み、直流-交流変換器22は出力25及び26を含み、直流-交流変換器32は出力35及び36を含む。交流-交流モジュール10、20、及び30は、それぞれ三相給電の1つの相と中性接続とに結合されるよう構成されている。例えば、交流-直流変換器11の入力13はＸ相に接続でき、交流-直流変換器21の入力23はY相に接続でき、交流-直流変換器31の入力33はZ相に接続できる。入力14、24、及び34は、三相給電の中性接続(又は接地接続)に接続されるよう構成されている。交流-交流モジュール10、20、及び30それぞれは、三相出力の1つの相を含む出力を与えるよう構成されているが、他の構成も可能である。例えば、出力15はＸ相出力を与えるよう構成でき、出力25はY相出力を与えるよう構成でき、出力35はZ相出力を与えるよう構成できる。出力16、26、及び36は、それぞれ負荷の中性接続に結合されるよう構成されている。各交流-交流モジュール10、20、及び30は、バス60、61、62、63、及び64を介して電力を共有するよう構成されている。
【００２５】
直流-直流モジュール40は、交流-交流モジュール10、20、及び/又は30から電力を受け取ることができ(すなわち充電状態)、更に、モジュール10、20、及び/又は30に電力を供給できる(すなわち放電状態)。直流-直流変換器41は、接続43、44、及び45を介してバッテリ50に結合されるよう構成されている。しかし、接続44はオプションである。バッテリ50は鉛蓄電池が好ましいが、他の種類のバッテリも使用可能である。所望の三相給電が入力13、23、及び33に存在すれば、直流-直流モジュール40は、直流電力をバッテリ50に与える(従ってバッテリ50を充電する)よう構成されている(すなわち充電状態)。同様に、入力13、23、及び33において所望の三相給電が存在しない場合は、直流-直流モジュール40は、バッテリ50からのエネルギーを用いて1つ又は複数の直流電圧を直流-直流モジュール10、20、及び30に与えるよう構成されている(すなわち放電状態)。直流-直流モジュール40が動作する状態は、例えば三相交流入力を監視するよう構成されたコントローラ(図示しない)により制御できる。直流-直流変換器41は、充電状態において一組の直流電圧を交流-交流モジュール10、20、及び30から受け取り、この一組の直流電圧をバッテリ50に適した直流バッテリ充電電圧に変換するよう構成されている。更に、直流-直流変換器41は、放電状態においてバッテリ充電電圧の直流電流をバッテリ50から受け取り、それを上記一組の直流電圧に変換するよう構成されている。直流-直流変換器41は、放電状態のときに上記一組の直流電圧を交流-交流モジュール10、20、及び30に与えるよう構成されている。直流-直流変換器41は、バス60、61、62、63、及び64を介して直流バスバランサー42に結合されている。後に詳述するように、直流バスバランサー42は、バス60、61、62、63、及び64に存在する電圧を釣り合わせるよう構成されている。
【００２６】
UPS5は、適切な入力電力が交流-交流モジュール10、20、及び/又は30への入力に存在するかを判断するよう構成されている。UPS5は1つ又複数の方法及び/又は回路を用いて、交流-交流モジュールへの入力に適切な電力が存在することを検出できる。例えば、もし入力13、23、及び/又は33に存在する交流電圧があれば、UPS5は、それが所望のレベルかどうかを判断するよう構成された回路を含むことができる。UPS5は、直流-直流変換器41の現在の動作状態(例えば、充電状態か放電状態か)と、直流電圧がバス60、61、63、及び/又は64に存在するかとを監視する回路も含むことができる。例えば、直流-直流変換器41が充電状態で動作していて、バス60、61、63、及び/又は64の直流電圧がそれぞれの所望のレベルを下回れば、上記回路は、交流-交流変換器11、21、及び31に供給中の交流電圧が所望レベルより低くなったことを示す信号を発信できる。他の方法及び/又は回路を用いて入力交流電圧が、所望レベルより低いかどうかを検出することも可能である。さらにUPS5は、(例えば（後述するように）スイッチをオフ位置に設定することで)それ自身を三相給電から切断するように構成する。
【００２７】
パルス幅変調(PWM)コントローラは、UPS5の構成要素の少なくとも幾つかの動作を制御するよう構成されている。例えば、別個のPWMコントローラを、交流-直流変換器11、21、及び31、直流-交流変換器12、22、及び32、直流-直流変換器41、並びに直流バスバランサー42に用いることができるが、これ以外の構成も可能である。例えば、物理的構成は同一だが制御信号が異なるPWMコントローラを用いたり、或いは非同一の物理的構成を備えたPWMコントローラを用いたりしてもよい。このPWMコントローラは、交流入力信号の周波数及び位相の関数としてスイッチの一部のスイッチングを制御する(フィードバックループを用いて)よう構成でき、或いは、所望の出力に従って設定できる(例えば、所望の周波数及び位相の電力を直流-交流変換器12、22、及び32に結合された負荷に提供するため)。
【００２８】
図2を参照すると、交流-直流変換器200(例えば、交流-直流変換器11、21、及び31の代表的な実施形態)は、ダイオード205、215、225、235、245、及び255、スイッチ210、220、230、240、250、及び260、コンデンサ280、並びにインダクタ285を含む。スイッチ210、220、230、240、250、及び260は絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)だが、これ以外のスイッチも使用できる。スイッチ210、220、250、及び260は600Vの最大電圧定格を備えることが好ましく、スイッチ230及び240は最大電圧定格1200Vを備えることが好ましいが、他の電圧定格も可能である。入力202は、例えば三相給電の1つの相(例えばＸ相)に結合するよう構成されている。入力202と接地接続との間にはコンデンサ280が結合されている。インダクタ285のノード286も入力202に結合されている。インダクタ285のノード287には、ダイオード225のアノード227と、スイッチ230のエミッタ232と、ダイオード235のカソード236と、スイッチ240のコレクタ241とが結合されている。ダイオード225のカソード226はスイッチ230のコレクタ231に結合されている。ダイオード235のアノード237はスイッチ240のエミッタ242に結合されている。カソード226、コレクタ231、ダイオード205のアノード207、スイッチ210のエミッタ212、ダイオード215のカソード216、及びスイッチ220のコレクタ221は互いに結合されている。アノード237、エミッタ242、ダイオード245のアノード247、スイッチ250のエミッタ252、ダイオード255のカソード256、及びスイッチ260のコレクタ261は互いに結合されている。ダイオード205のカソード206とスイッチ210のコレクタ211とは出力235に結合されている。ダイオード215のアノード217とスイッチ220のエミッタ222は出力240に結合されている。ダイオード245のカソード246とスイッチ250のコレクタ251は出力245に結合されている。ダイオード255のアノード257とスイッチ260のエミッタ262は出力250に結合されている。スイッチ210、220、230、240、250、及び260のそれぞれのゲート213、223、233、243、253、及び263は、後に詳述するようにパルス幅変調コントローラ275に結合されている。出力265、266、267、及び268はそれぞれバス64、63、61、及び60に接続されるよう構成されている。インダクタ285は100uHのインダクタンスを備えるのが好ましいが、(例えば、システム5の電力定格によっては)他のインダクタンスを用いることもできる。上記コンデンサは200uFのキャパシタンスを備えるのが好ましいが、(例えば、システム5の電力定格によっては)他のキャパシタンスを用いることもできる。
【００２９】
交流-直流変換器200は、例えば三相電力接続の1つの相から交流電力を受け取り、出力265、266、267、及び268を介して多レベルの直流電圧を与えるよう構成されている。例えば、交流-直流変換器200が動作中で、入力202が450Vの交流給電に結合されている場合、交流-直流変換器200は、出力265と中性接続との間に約+450Vの直流電圧を(給電の中性接続に対して)、出力266と中性との間に約+150Vの直流電圧を、出力267と中性との間に約-150Vの直流電圧を、出力268と中性との間に約-450Vの直流電圧を誘導できる。同様に、交流-直流変換器200は、出力265と266との間と(V1)、出力266と267との間と(V2)、出力267と268との間(V3)に約300Vの電圧を誘導するよう構成されている。
【００３０】
出力265及び268に誘導された電圧は、入力電圧の関数であることが好ましい。出力265と268とに誘導された電圧は、コンデンサ280の両端にかかる電圧に√2を乗算したものに等しいか上回ることが好ましい。コンデンサ280の両端にかかる電圧(すなわち相-中性電圧)は次に実質的に等しいことが好ましい。
【００３１】
【数１】
2010519890.tif 000009
【００３２】
(ただし、これは中性接続が利用可能であることが条件である。)又、コンデンサ280の両端にかかる瞬間ピーク電圧は、±
(相-中性電圧) (√2)の間である。好適には、出力265で与えられる電圧がコンデンサ280の両端にかかる正のピーク瞬間電圧より大きく、出力268で与えられる電圧がコンデンサ280の両端にかかる負のピーク瞬間電圧より低くなるように交流-直流変換器200を構成する。例えば、入力202において480Vの入力と仮定すると、相-中性は概ね277Vrmsで、コンデンサ280の両端にかかる瞬間ピーク電圧は392Vである。従って、この例では、交流-直流変換器200は、出力265が約392V又はそれ以上(例えば450V)の電圧を出力し、出力268が約-392V又はそれ未満(例えば-450V)の電圧を出力するように構成されている。出力265と268とで出力される電圧の絶対値と、コンデンサ280の両端にかかるピーク瞬間電圧の絶対値との差が増大すると、システム5の動作許容度が増加可能となる。
【００３３】
コンデンサ280、インダクタ285、並びにスイッチ210、220、230、240、250、及び260の組合せはブーストコンバータとして作用し、入力202に与えられた交流信号を、インダクタ285のノード287において4レベルの準方形波(例えば、図8の信号305として示した)に変換する。ノード287における電圧はスイッチ210、220、230、250、及び260の状態により変動しうる(後に詳述する)。例えば、入力202に存在する交流電圧の瞬間値が、ノード265における直流電圧と等しい第1電圧レベル(例えば、交流-直流変換器200の構成により決定される450V)と、ノード266における直流電圧に等しい第2電圧レベル(例えば150V)との間であれば、インダクタ285のノード287における方形波はこれらの値（この場合、450Vと150V）の間で切り替わる。入力202に存在する交流電圧の瞬間値が、ノード266における直流電圧と等しい第2電圧レベルと、ノード267における直流電圧に等しい第3電圧レベル(例えば-150V)との間であれば、インダクタ285のノード287における方形波はこれらの値（この場合、-150Vと-150V）の間で切り替わる。さらに、入力202に存在する交流電圧の瞬間値が、ノード267における直流電圧と等しい第3電圧レベルと、ノード268における直流電圧に等しい第4電圧レベル(例えば-450V)との間であれば、インダクタ285のノード287における方形波はこれらの値（この場合、-150Vと-450V）の間で切り替わる。又、コンデンサ280とインダクタ285との組合せは低域フィルタとして作用するように構成される。
【００３４】
交流-直流変換器200は、スイッチ210、220、230、240、250、及び260を切り替えることにより出力265、266、267、及び268において電圧を誘導するよう構成されている。これらスイッチはPWMコントローラ275により駆動されるよう構成されている。PWMコントローラ275は、交流-直流変換器200の3つの動作状態のうち現在の動作状態に従ってスイッチ210、220、230、240、250、及び260を制御するよう構成されている。図3も参照すると、交流-直流変換器200は3つの状態で動作するよう構成されている。第1状態は、入力202によって受け取られる入力電圧が出力265によって与えられる電圧の三分の一を上回る時に対応する(例えば、ピーク入力電圧が±AC
450Vであれば、第1状態は150Vを上回る時に対応する)。第2状態は、入力202によって受け取られる入力が出力265によって与えられる電圧の三分の一と出力268によって与えられる電圧の三分の一との間(例えば、150Vと-150V)である時に対応する。第3状態は、入力202によって受け取られる入力が、出力268によって与えられる電圧の三分の一未満(例えば、-150V未満)である時に対応する。図4も参照すると、PWMコントローラ275の構成によって、第1状態の時はスイッチ230及び250がオン(導電)状態に設定され、スイッチ240及び260がオフ(非導電)状態に設定され、スイッチ210及び220がオフとオンとの間を切り替わる(図4A)ようになっている。PWMコントローラ275の構成によって、第2状態の時はスイッチ220及び250がオンとなり、スイッチ210及び260がオフとなり、スイッチ230及び240が切り替わる(図4B)ようになっている。PWMコントローラ275の構成によって、第3状態の時はスイッチ220及び240がオンとなり、スイッチ210及び230がオフとなり、スイッチ250及び260が切り替わる(図4C)ようになっている。
【００３５】
図5乃至6を参照すると、PWMコントローラ275は、制御信号を用いてスイッチ210、220、230、240、250、及び260を制御するよう構成されている。PWMコントローラ275は、コンパレータ505、515、及び525並びにロジックインバータ510、520、及び530を含む。PWMコントローラ275は、入ってくる交流信号を本明細書に記載する直流信号に変換するため、交流-直流変換器200を本明細書に記載した状態で動作させるよう構成されている。コンパレータ505の正の入力506は正弦波変調信号源に結合され(信号605を受け取るため)、コンパレータ505の負の入力507は第1PWM搬送信号610に結合されている。コンパレータの正の入力516は正弦波変調信号に結合され、コンパレータ515の負の入力517は第2PWM搬送信号615に結合されている。コンパレータ252の正の入力526は正弦波変調信号に結合され、コンパレータ525の負の入力527は第3PWM搬送信号620に結合されている。コンパレータ505の出力508はスイッチ210と、ロジックインバータ510を介してスイッチ220とに結合されている。コンパレータ515の出力518はスイッチ230と、ロジックインバータ520を介してスイッチ240とに結合されている。コンパレータ525の出力528はスイッチ250と、ロジックインバータ530を介してスイッチ260とに結合されている。
【００３６】
PWMコントローラ275が用いる制御信号は、スイッチ210、220、230、240、250、及び260の所望のスイッチングパターンを実現するよう選択される。信号605、610、615、及び620は、例えば波形発生器により生成される低電圧信号が好ましい。正弦波信号605は、入力202に与えられる給電の周波数と位相に概ね等しい周波数と位相を備える正弦波信号である。正弦波信号605は、例えば1Vなどの様々な値を取り得る閾値625に概ね等しいピーク振幅を持つ。第1PWM搬送波610、615、及び620は、交流-直流変換器200の所望のPWMスイッチング周波数に実質的に等しい周波数を備えた三角波であるが、他の周波数も可能である。交流-直流変換器200のPWMスイッチング周波数は、IGBTスイッチング損失と入力及び出力インダクタ及びコンデンサ(例えば、コンデンサ280及びインダクタ285)の物理的な大きさ及びコストの妥協点として選択される。PWM制御信号610の最大値は閾値625に概ね等しく、第1PWM制御信号610の最小値は閾値625の三分の一に概ね等しい。PWM制御信号615の最大値は閾値625の三分の一に概ね等しく、PWM制御信号615の最小値は閾値625のマイナス三分の一に概ね等しい。PWM制御信号620の最大値は閾値625のマイナス三分の一に概ね等しく、PWM制御信号620の最小値は閾値625に-1を乗算したものに概ね等しい。
【００３７】
PWMコントローラ275は、正弦波変調信号605並びにPWM制御信号610、615、及び620を用いてスイッチ210、220、230、240、250、及び260を切り替えるよう構成されている。正弦波変調信号605が変化すると、コンパレータ505は正の入力505又は負の入力507の何れが大きいかに従って論理1又は論理0を出力する。正の入力506が負の入力507よりも大きい場合は(例えば、正弦波変調信号605の電圧がPWM制御信号610の電圧より大きい)、コンパレータ505は論理1を出力するよう構成されている。同様に、正の入力506が負の入力507よりも小さい場合は(例えば、正弦波変調信号605の電圧がPWM制御信号610の電圧より小さい)、コンパレータ505は論理0を出力するよう構成されている。上述の議論はコンパレータ505の動作に注目したものだが、コンパレータ515及び525の動作もこれに類似していることが好ましい。PWMコントローラ275は小さな「不感帯」を挿入して、任意スイッチのスイッチオフと別のスイッチのスイッチオンとの間に僅かな遅れがあるようにする(例えば、望ましくない一対のスイッチが同時にオンにならないように)。スイッチ210、220、230、240、250、及び260は、論理1がスイッチをオンさせ、論理0がスイッチをオフにするよう構成されているが、その反対も可能である。
【００３８】
PWMコントローラ275は、それが制御するスイッチが切り替えられるデューティサイクルを変化させるよう構成可能である。例えば、信号610、615、620、及び625を用いて、繰り返しオン/オフ切り替えされるスイッチ(例えば第1状態におけるスイッチ210及び220)のデューティサイクルを変化させる。スイッチ210がオンでスイッチ220がオフであることを示す間隔630と635とを比較すると、間隔630の方が間隔635より大きい。
【００３９】
図2を再び参照しつつ交流-直流変換器200の動作を説明する。直流-直流変換器200は、ブーストコンバータとして作用することにより出力265、266、267、及び268にそれぞれの直流電圧を与えるよう構成されている。例えば、第1状態でスイッチ220がオンでスイッチ2１0がオフである時は、インダクタ285はエネルギーを蓄積する。スイッチ220がオフの時は、インダクタ285に蓄えられたエネルギーにより電流がダイオード205をフリーホイールする。第2状態でスイッチ230がオンでスイッチ240がオフである時は、インダクタ285はエネルギーを蓄積する。スイッチ230がオフの時は、インダクタ285によって電流がダイオード235をフリーホイールする。第3状態でスイッチ250がオンでスイッチ260がオフである時は、インダクタ285はエネルギーを蓄積する。スイッチ250がオフの時は、インダクタ285に蓄えられたエネルギーにより電流がダイオード255をフリーホイールする。
【００４０】
図2及び7を参照すると、直流-交流変換器700(例えば、直流-交流変換器12、22、及び32の代表的な実施形態)は、ダイオード705、715、725、735、745、及び755、スイッチ710、720、730、740、750、及び760、入力765、766、767、及び768、フィルタ770、並びに出力702を含む。スイッチ710、720、730、740、750、及び760はIGBTだが、これ以外のトランジスタも使用できる。入力765、766、767、及び768は、例えば交流-直流変換器200から直流電力を受け取るよう構成されている。出力702には、ダイオード725のアノード727と、スイッチ730のエミッタ732と、ダイオード735のカソード736と、スイッチ743のコレクタ741とが結合されている。ダイオード725のカソード726はスイッチ730のコレクタ731に結合されている。ダイオード735のアノード737はスイッチ740のエミッタ742に結合されている。カソード726、コレクタ731、ダイオード705のアノード707、スイッチ710のエミッタ712、ダイオード715のカソード716と、スイッチ720のコレクタ721は互いに結合されている。アノード737、エミッタ742、ダイオード745のアノード747、スイッチ750のエミッタ752、ダイオード755のカソード756、及びスイッチ760のコレクタ761は互いに結合されている。ダイオード705のカソード706とスイッチ710のコレクタ711は入力765に結合されている。ダイオード715のアノード717とスイッチ720のエミッタ722は入力766に結合されている。ダイオード745のカソード746とスイッチ750のコレクタ751は入力767に結合されている。ダイオード755のアノード757とスイッチ760のエミッタ762は入力768に結合されている。スイッチ710、720、730、740、750、及び760のそれぞれのベース713、723、733、743、753、及び763は、後に詳述するようにそれぞれパルス幅変調コントローラに接続されている。スイッチ730のエミッタ732、ダイオード725のアノード727、スイッチ740のコレクタ741、ダイオード735のカソード736(すなわちノード772を画定する)はフィルタ770に結合されている。フィルタ770はインダクタ785及びコンデンサ790を含む。インダクタ786はノード772と出力702との間に接続されている。コンデンサ790はノード702とアースとの間に接続されている。インダクタ785は100uHのインダクタンスを備えるのが好ましいが、(例えば、システム5の電力定格によっては)他のインダクタンスを用いることもできる。コンデンサ790は200uFのインダクタンスを備えるのが好ましいが、(例えば、システム5の電力定格によっては)他のキャパシタンスを用いることもできる。
【００４１】
直流-交流変換器700は、例えば、交流-直流変換器200から直流電力を受け取り、出力702を介して交流出力を与えるよう構成されている。例えば、直流-交流変換器700が動作中で、入力765、766、767、及び768が交流-直流変換器200の出力265、266、267、及び268にそれぞれ結合されていれば、出力702に交流出力を誘導可能である。直流-交流変換器700は、出力702において、入力765に存在する電圧（例えば、出力702における信号の正のピーク電圧）及び入力768に存在する電圧（例えば、出力702における信号の負のピーク電圧）と概ね同じのピーク電圧を持つ交流出力(例えば中性接続に対して)を誘導するよう構成されている。しかし、他の電圧も誘導可能である。
【００４２】
直流-交流変換器700は、電圧又は電流制御直流-交流変換器として実現できる。電流制御を用いて直流-交流変換器700を動作させる時は「外部」電圧ループを用いて所望の電圧を維持するのが好ましい。例えば、制御回路(図示しない)を構成して、インダクタ786内の電流を監視し、出力702に存在する電圧を監視できる(例えば、出力が正弦波かどうかを判断するため)。この制御回路を構成して、所望の出力電圧維持するためにスイッチ710、720、730、740、750、及び760に与えられるPWM信号を、測定した電流及び電圧値に基づいて調節できる。直流-交流変換器700を構成して、本明細書に記載したように固定又は可変PWM周波数で動作させることもできる。
【００４３】
交流-直流変換器700は、スイッチ710、720、730、740、750、及び760を切り替えることにより入力765、766、767、及び768に存在する直流電圧を交流出力電圧に変換するよう構成されている。これらスイッチは、PWMコントローラ275と似た様態で構成されるのが好ましいPWMコントローラ775によって駆動されるよう構成されている。PWMコントローラ775に与えられる制御信号はPWMコントローラ275へ与えられるものと似た信号とすることができるが、これら制御信号の周波数及び/又は振幅は、出力702に結合された負荷に所望の出力を発生するように変化させてよい。好適には、直流-交流変換器700を構成して、ラインサイクルの任意部分(例えば、第1、第2、及び第3状態までのサイクル)において、6つのスイッチ710、720、730、740、750、及び760のうち2つが相補的にオン/オフ切り替えされ、残り4つのスイッチが常にオフ状態かオン状態とする。
【００４４】
図8も参照すると、PWMコントローラ775は、直流-交流変換器700を3つの状態で動作させることができる。第1状態は、出力702で与えられる電圧出力が入力765で与えられる電圧の三分の一を上回る時に対応する(例えば、入力における電圧が450Vであれば、第1状態は出力が約150Vを上回る時に対応する)。第2状態は、出力702で与えられる出力が入力765で与えられる電圧の三分の一と、出力入力768で与えられる電圧の三分の一との間(例えば、-150Vと150V)であるときに対応する。第3状態は、出力702で与えられる出力電圧が入力768で与えられる電圧の三分の一未満(例えば、-150V未満)であるときに対応する。PWMコントローラ775の構成によって、第1状態の時はスイッチ730及び750がオンとなり、スイッチ740及び760がオフとなり、スイッチ710及び720が切り替わる(図9Aを参照)ようになっている。PWMコントローラ775の構成によって、第2状態の時はスイッチ720及び750がオンとなり、スイッチ710及び760がオフとなり、スイッチ730及び740が切り替わる(図9B)ようになっている。PWMコントローラ775の構成によって、第3状態の時はスイッチ720及び740がオンとなり、スイッチ710及び730がオフとなり、スイッチ750及び760が切り替わる(図9C)ようになっている。第1状態では、スイッチ710、720、730、740、750、及び760のスイッチング構成は、ノード780において、変動するデューティサイクルと共に450Vと150Vとの間で変動する方形波電圧をもたらすよう構成されている。例えば、方形波のデューティサイクルは、直流-交流変換器がどの状態のどの部分で動作しているかに従って変動可能である(例えば、出力の電圧が第1状態で450Vに近づくにつれ、方形波のデューティサイクルは100％に近づく)。第2状態では、スイッチ710、720、730、740、750、及び760のスイッチング構成は、ノード780において、変動するデューティサイクルと共に150Vと-150Vとの間で変動する方形波電圧をもたらすよう構成されている。第3状態では、スイッチ710、720、730、740、750、及び760のスイッチング構成は、ノード780において、変動するデューティサイクルと共に-150Vと-450Vとの間で変動する方形波電圧をもたらすよう構成されている。
【００４５】
フィルタ770は、ノード772で与えられる出力を、出力702に与えられる実質的に交流の出力電圧にフィルタするよう構成されている。フィルタ770はLC低域フィルタでよいが、他のフィルタ構成も可能である。
【００４６】
図10を参照すると、交流-交流モジュール10は、交流-直流変換器200、直流-交流変換器700、コンデンサ905、910、915、及び920を含む。出力265、266、267、及び268はそれぞれ入力765、766、767、及び768に結合されている。コンデンサ905は、出力265及び入力765の接合点と、出力266及び入力766の接合点との間に結合されている。コンデンサ910は、出力266及び入力766の接合点と、中性接続との間に結合されている。コンデンサ915は、中性接続と、出力267及び入力767の接合点との間に結合されている。コンデンサ920は、出力267及び入力767の接合点と、出力268及び入力768の接合点との間に結合されている。さらに、出力265と入力765との接合点はバス64に結合されている。出力266と入力766との接合点はバス63に結合されている。出力267と入力767との接合点はバス60に結合されている。出力268と入力768との接合点はバス61に結合されている。
【００４７】
コンデンサ905、910、915、及び920は、例えば、入力202に与えられる電力信号の周波数が出力702によって与えられる信号周波数と異なる短時間の間にエネルギーを蓄積し、且つバス60、61、62、63、及び/又は64に存在するリプル電流を減少させるよう構成されている。交流-交流モジュール10は、動作時には、コンデンサ905と920との間に300Vの電位及び、コンデンサ910と915との間に150Vの電位を誘導するよう構成されている。
【００４８】
図1及び11を参照すると、直流-直流変換器1000(例えば、直流-直流変換器41の代表的な実施形態)は、バッテリ50に結合されており、ダイオード1005、1015、1025、及び1035、スイッチ1010、1020、1030、及び1040、コンデンサ1050、1055、1060、1065、コンデンサ1070、及び1075、並びにインダクタ1080及び1085を含む。スイッチ1010、1020、1030、及び1040はIGBTが好ましいが、これ以外のスイッチも使用できる。好適には、これらダイオードは超高速回復ダイオードである(例えば、システム5の他の部分で使用できる)。ダイオード1005のカソード1006はスイッチ1010のコレクタ1011に結合され、さらにノード1090に結合されている。ダイオード1005のアノード1007、スイッチ1010のエミッタ1012、ダイオード1015のカソード1016、及びスイッチ1020のコレクタ1021は互いに結合されている。ダイオード1015のアノード1017とスイッチ1020のエミッタ1022は互いに結合され、さらにノード1091に結合されている。コンデンサ1050の正端子1051はノード1090に結合され、コンデンサ1050の負端子1052はノード1091に結合されている。コンデンサ1070及びインダクタ1080は、アノード1007と、エミッタ1012と、カソード1016と、コレクタ1021との接合点と、ノード1092との間に結合されている。インダクタ1080は、アノード1007と、エミッタ1012と、カソード1016と、コレクタ1021との接合点に結合され、コンデンサ1070はノード1092に結合されるのが好ましい。コンデンサ1055の正端子1056はノード109１に結合され、コンデンサ1055の負端子1057はノード1092に結合されている。ダイオード1025のカソード1026はスイッチ1030のコレクタ1031に結合され、さらにノード1093に結合されている。ダイオード1025のアノード1027、スイッチ1030のエミッタ1032、ダイオード1035のカソード1036、及びスイッチ1040のコレクタ1041は互いに結合されている。ダイオード1035のアノード1037とスイッチ1040のコレクタ1042は互いに結合され、さらにノード1094に結合されている。コンデンサ1065の正端子1066はノード1093に結合され、コンデンサ1065の負端子1067はノード1094に結合されている。コンデンサ1075及びインダクタ1085は、アノード1027と、エミッタ1032と、カソード1036と、コレクタ1041との接合点と、ノード1092との間に結合されている。インダクタ1085は、アノード1027と、エミッタ1032と、カソード1036と、コレクタ1041との接合点に結合され、コンデンサ1075はノード1092に結合されるのが好ましい。コンデンサ1060の正端子1061はノード1092に結合され、コンデンサ1060の負端子1062はノード1093に結合されている。ノード1090、1091、1092、1093、及び1094はそれぞれバス64、63、62、61、及び60に結合されるよう構成されている。スイッチはPWMコントローラ1115に結合されるよう構成されている。コンデンサ1050、1055、1060、及び1065は図中で異なる参照番号を割り当てたが、コンデンサ1050、1055、1060、及び1065はそれぞれコンデンサ905、910、915、及び920とすることも可能である。
【００４９】
直流-直流変換器1000は、バッテリ1095及び1100に電力を供給し且つそれらから電力を受け取るよう構成されている。バッテリ1095及び1100は、回路ブレーカ1105及び1110を介して直流-直流変換器1000に結合されている。バッテリ1095の正端子1096は、ブレーカ1105を介してコンデンサ1070とインダクタ1080との接合点に結合されている。バッテリ1095の負端子1097は、バッテリ1100の正端子1101に結合されている。バッテリ1100の負端子1102は、ブレーカ1110を介してコンデンサ1075とインダクタ1085との接合点に結合されている。オプションとして、バッテリ1095の負端子1097及びバッテリ1100の正端子1101はノード1092に結合され、バッテリブレーカ間の最大電圧を引き下げる。好適には、バッテリ1095及び1100は、システム5のピーク電圧(例えばバス64に存在する電圧)と、システム5のピーク電圧の三分の一(例えばバス63に存在する電圧)との間の電圧を受け取り且つ与えるように構成する。例えば、バッテリ1095及び1100は約288Vを与えるよう構成できる。
【００５０】
直流-直流変換器1000は、充電状態と放電状態という2つの状態で動作するよう構成されている。充電状態において、直流-直流変換器1000はバックコンバータとして機能し、バス60、61、63、及び64から第1組の直流電圧を受け取り、第1レベルの電圧をバッテリ1095及び1100に与える。放電状態において、直流-直流変換器1000は第2レベルの直流電力を受け取り第2組の直流電圧を、バス60、61、63、及び64にそれぞれ与える。第1組の電圧と第2組の電圧は実質的に等しくてもよい。第1組の直流電圧と第2組の直流電圧は実質的に等しくてもよい。充電状態において、直流-直流変換器1000はバッテリ1095及び1100を積極的に充電し、且つ/又はフロート充電を行う(例えば、完全充電されたバッテリの充電を維持するため)。
【００５１】
スイッチ1010、1020、1030、及び1040はPWMコントローラ1115により制御されるよう構成されている。PWMコントローラ1115の構成はPWMコントローラ275に類似であることが好ましいが、それ以外の構成も可能である。スイッチ1010及び1040は類似の様態で切り替わるよう制御し(例えば、スイッチ1010及び1040の両方とも概ね同一時刻にオンになる)、スイッチ1020及び1030は類似の様態で切り替わるよう制御する(例えば、スイッチ1010及び1030の両方とも概ね同一時刻にオンになる)ことが好ましい。しかし、負端子1097と正端子1101の接合点がノード1092に結合されていると、スイッチ1010、1020、1030、及び1040はそれぞれ独立して切り替え可能である。PWMコントローラ1115は、スイッチ1010のデューティサイクルを変化させることによってバッテリ1095の充電電圧を変化させるよう構成されている。同様に、PWMコントローラ1115は、スイッチ1040のデューティサイクルを変化させることによってバッテリ1110の充電電圧を変化させるよう構成できる。
【００５２】
直流-直流変換器1000が充電状態で動作しているときは、PWMコントローラ1115は、スイッチ1020及び1030をオフに維持した状態で、スイッチ1010及び1040を繰り返し切り替えることで、直流-直流変換器1000をバックコンバータとして動作させる。スイッチ1010及び1040がオンの時は、直流-直流変換器1000はノード1090及び1094に存在する電圧がインダクタ1080及び1085を帯電させる。スイッチ1010及び1040がオフの時は、チョーク電流(例えば、インダクタ1080及び1085の放電によるもの)がダイオード1015及び1025をフリーホイールする。直流-直流変換器1000は、スイッチ1010及び1040が切り替わるデューティサイクルを変化させることでノード1090及び1094に存在する電圧をステップダウンさせるように構成されている。例えば、PWMコントローラ1115が与えるスイッチング信号のデューティサイクルが1に向かって増加すると、バッテリ1095及び1100に与えられる電圧はノード1090及び1094に存在する電圧に向かって上昇する。コンデンサ1070及び1075は、バッテリ1095及び1100に与えられる信号の高周波成分を除去することでリプル電流を減少させるよう構成されている。
【００５３】
直流-直流変換器1000が放電状態で動作しているときは、PWMコントローラ1115は、スイッチ1010及び1040をオフに維持した状態で、スイッチ1020及び1030を繰り返し切り替えることで、直流-直流変換器1000をバックブースト・コンバータとして動作させる。例えば、直流-直流変換器1000は、バッテリ1095及び1100からステップアップした電圧をノード1090及び1094に与え、ステップダウンした電圧をノード1091及び1093に与える。スイッチ1020及び1030がオンの時は、バッテリ1095及び1100はインダクタ1080及び1085にエネルギーを蓄積させる。スイッチ1020及び1030がオフの時は、インダクタ1080及び1085に蓄積されたエネルギー(及びバッテリ1095及び1100に与えられるエネルギー)がそれぞれダイオード1005及び1035を介して放電される(例えば、フリーホイール)。直流-直流変換器1000は、スイッチ1020及び1030が切り替わるデューティサイクルを変化させることでバッテリ1095及び1100に与えられる電圧をステップアップさせるように構成されている。例えば、PWMコントローラ1115が与えるスイッチング信号のデューティサイクルが1に向かって増加すると、ノード1090、1091、1093、及び1094で与えられる電圧が上昇する。さらに、直流-直流変換器1000は、バッテリ1095及び1100に与えられる電圧をステップダウンさせ、ステップダウンした電圧をノード1091及び1093に与えるように構成されている。直流-直流変換器1000は、ステップダウンした電圧を上述と類似の様態でノード1091及び1093に与えるよう構成されている。コンデンサ1050、1055、1060及び1065は、ノード1090、1091、1093、及び1094における信号の高周波成分を除去するよう構成されている。
【００５４】
図1及び12を参照すると、直流バスバランサー42の一例（ここでは直流バスバランサー1200）は、コンデンサ1205、1210、1215、1220、1225、及び1230、スイッチ1235、1245、1255、1265、1275、1285、ダイオード1240、1250、1260、1270、1280、及び1290、並びにインダクタ1295、1300、及び1305を含む。コンデンサ1205の正端子1206、コンデンサ1235のコレクタ1236、及びダイオード1240のカソード1241はノード1310に結合されている。スイッチ1235のエミッタ1237、ダイオード１240のアノード1242、スイッチ1245のコレクタ1246、及びダイオード1250のカソード1251は互いに結合されている。スイッチ1245のエミッタ1247、ダイオード1250のアノード1252、スイッチ1255のコレクタ1256、及びダイオード1260のカソード1261は互いに結合されており、さらにノード1311にも結合されている。スイッチ1255のエミッタ1257、ダイオード1260のアノード1262、スイッチ1265のコレクタ1266、及びダイオード1270のカソード1271は互いに結合されている。スイッチ1265のエミッタ1267、ダイオード1270のアノード1272、スイッチ1275のコレクタ1276、及びダイオード1280のカソード1281は互いに結合されており、さらにノード1313にも結合されている。スイッチ1275のエミッタ1277、ダイオード1280のアノード1282、スイッチ1285のコレクタ1286、及びダイオード1290のカソード1291は互いに結合されている。スイッチ1285のエミッタ1287とダイオード1290のアノード1292は互いに結合され、さらにノード1314に結合されている。コンデンサ1205の正端子1206はノード1310に結合され、コンデンサ1205の負端子1207はノード1311に結合されている。コンデンサ1210の正端子1211はノード1311に結合され、コンデンサ1210の負端子1212はノード1312に結合されている。コンデンサ1216の正端子1215はノード1312に結合され、コンデンサ1217の負端子1215はノード1313に結合されている。コンデンサ1220の正端子1221はノード1313に結合され、コンデンサ1220の負端子1222はノード1314に結合されている。コンデンサ1225及びインダクタ1295は、ダイオード1240及び1250の接合点と、ダイオード1260及び1270の接合点との間に直列で結合されている。インダクタ1300及びコンデンサ1230は、ダイオード1260及び1270の接合点と、ダイオード1280及び1290の接合点との間に結合されている。従って、コンデンサ1225、インダクタ1295、インダクタ1300、及びコンデンサ1230は、ダイオード1240及び1250の接合点と、ダイオード1280及び1290との間に直列で結合されている。インダクタ1305はノード1312と、ダイオード1260と1270との接合点との間に接続されている。しかし、インダクタ1305はオプションである。例えば、交流-直流変換器11、21、及び31がそれぞれの正及び負の半サイクルにおいて交流入力から得られる電力の量を制御するように構成されている場合は。直流バスバランサー1200を構成して、インダクタ1305を含めることで、交流-直流変換器11、21、及び31を用いて交流入力から得られる電力を制御する(例えば、バス60、61、62、63、及び/又は64の釣り合いを取るため)要求を減少(あるいは除去)できる。組合せ1225及びインダクタ1295は共振タンク1320を構成し、コンデンサ1230及びインダクタ1300の組合せは共振タンク1325を構成する。
【００５５】
PWMコントローラ1315は、スイッチ1235、1245、1255、1265、1275、及び1285それぞれに結合されている。PWM1315コントローラはPWMコントローラ275と類似の様態で構成されるのが好ましい。例えば、PWMコントローラ1315は、それぞれが多数の制御信号を受信するよう構成された多数のコンパレータを含む。これら制御信号は、所望のスイッチング・シーケンス(例えば、直流バスバランサー42に関して本明細書で説明したように)が得られるように選択される。PWMコントローラ1315は、定周波及び固定デューティサイクルを好適には備えた制御信号を与えるよう構成されているが、それ以外の構成も可能である。スイッチ1235、1255、及び1275に与えられる制御信号は概ね同一であることが好ましく、スイッチ1245、1265、及び1285に与えられる制御信号も概ね同一であることが好ましい。これら制御信号は、約50％のデューティサイクルを備えることが好ましいが、これ以外のサイクルも可能である。図13も参照すると、PWMコントローラ1315を構成して、スイッチ1235、1245、1255、1265、1275、及び1285の切り替えの間に「不感時間」を挿入して、スイッチがオフに切り替えられるスイッチは、他のスイッチがオンになる前にほぼ完全にオフになっているようにする。しかし、不感時間の使用はオプションである。PWMコントローラ1315を構成して、スイッチ1235、1245、1255、1265、1275、及び1285が共振タンク1320及び1325の共振周波数と概ね同じ周波数で切り替わるように制御信号を与えるようになっているが、これ以外の周波数も可能である。
【００５６】
直流バスバランサー1200は、コンデンサ1205、1210、1215、及び1220に蓄積されたエネルギーを必要に応じてバス64、63、61、及び60に移動させることで、バス60、61、62、63、及び64の所望の電圧を釣り合わせ且つ維持するよう構成されている。スイッチ1235、1245、1255、1265、1275、及び1285はPWMコントローラ1315により切り替えられるよう構成されている。PWMコントローラ1315は、これらスイッチを制御して第1及び第2状態とするように構成されている。第1状態で、スイッチ1235、1255、及び1275はオンとなる一方、スイッチ1245、1265、及び1285はオフとなる。第2状態では、スイッチ1235、1255、及び1265はオフとなる一方、スイッチ1245、1265、及び1285はオンとなる。こうしたスイッチ状態によって、直流バスバランサー1200内の電圧は表1に示したように変動する。
【００５７】
【表１】
2010519890.tif 000010
【００５８】
従って、ノード1310、1311、1313、及び1314がそれぞれ450V、150V、-150V、及び-450Vを与える時は、表1に示した各接合点は約300Vで変動する(ピークからピーク)。直流バスバランサー1200の残りの説明では、バス64、63、61、及び60がそれぞれ450V、150V、-150V、及び-450V(中性に対して)を与えるものと仮定する。 
【００５９】
直流バスバランサー1200の平衡動作時において(例えばノード1310、1311、1312、1313、及び1314における電圧が所望レベルである)、表1に記載した各接合点に存在する信号は実質的に方形になるはずである。さらに、平衡動作時において、表1に記載した各接合点での電圧振動は、実質的に互いに同相であり、実質的に同じ振幅を備えるはずである。共振タンク1325と1325との間の電圧差は、バス60と64との間の合計直流電圧に概ね同一乃至三分の一であることが好ましい(例えば、300V)。コンデンサ1225及び1230は、それぞれ共振タンク1325と1325との間にある電位まで帯電するよう構成されている(例えば、300V)。
【００６０】
直流バスバランサー1200は、共振タンク1320及び1325に蓄積されたエネルギーを用いてノード1310、1311、1312、1313、及び1314の不平衡電圧を補正するよう構成されている。直流バスバランサー1200の不平衡動作時では、表1に記載した接合点に誘導される方形波電圧の振幅は不均等となりうる。これは、方形波電圧が共振タンク1320及び1325の1つ又は複数の両端にかかる原因となりうる。共振タンク1320及び1325それぞれを構成して、共振タンク1320及び1325の両端に電圧がかかると、電流が各共振タンク1320及び1325に流れるようにする。共振タンク1320及び1325を構成して、各共振タンク1320及び/又は1325の両端に低い電位(例えばゼロに近い電位)がかかっても、大きな電流が各共振タンク1320及び1325に流れるようにもできる。共振タンク1320及び1325のインピーダンスは、スイッチ1235、1245、1255、1265、1275、及び1285が切り替えられる周波数の関数とすることもできる(或いはその逆も可能である)。例えば、スイッチング周波数が共振タンク1320及び1325の共振周波数と同じに近づくにつれ、共振タンク1320及び1325のインピーダンスはゼロに近づく。共振タンク1320及び1325を構成して、エネルギーを、300V及び150Vの好適な電圧レベルより高い電圧を備えたコンデンサ1205、1210、1215、及び/又は1220それぞれからこれら好適な電圧レベル未満の電圧を備えたコンデンサに向けて移動させる電流を発生させる。より高い電圧を備えたコンデンサ(例えば、コンデンサ1205、1210、1215、及び/又は1220)の両端に結合されているスイッチ(例えば、スイッチ1235、1245、1255、1265、1275、及び1285)を構成して、発生器として機能し、共振タンク1320及び1325を流れる交流電流を発生し、最も低い電圧を備えたコンデンサ(例えば、コンデンサ1205、1210、1215、及び/又は1220)に向かう有効電力の流れを確立させる。直流バスバランサー1200は、好適には不平衡コンデンサ間の電圧差がダイオード1240、1250、1260、1270、1280、及び1290の順方向電圧降下(例えば数ボルト)を上回る時に、共振タンク1320及び1325を流れる電流が発生するよう構成されている。好適には、スイッチ1235、1245、1255、1265、1275、及び1285が切り替わる周波数が共振タンク1225及び1230の共振周波数に近づくにつれ、誘導電流のゼロ交差が第1状態と第2状態との間の不感時間のより近くで発生し、これがスイッチング損失の減少を可能とする。
【００６１】
動作時には、図14を参照し、且つ図1乃至13もさらに参照すると、UPS5を用いて無停電電源を負荷に与えるための処理1400は図示した段階を含む。しかし、処理1400は例示のみを目的としており限定的なものではない。処理1400は、例えば段階を追加、削除、且つ／又は再編成することで変更できる。さらに、処理1400の一部は連続的なステップとして図示したが、幾つかの段階は並列で実行可能である(例えば、段階1435及び1440)。
【００６２】
段階1405で、UPS5は三相給電に結合される。交流-交流モジュール10、20、及び30は、それぞれ三相給電のＸ、Y、及びZ相に結合される。交流-交流モジュール10、20、及び30は、三相給電の中性接続にも結合される。三相給電が三相交流電力をUPS5に与える。
【００６３】
段階1410で、UPS5は1つ又は複数の負荷に結合される。UPS5は三相負荷に結合できる(例えば、交流―交流モジュール10はX相を与え、交流-交流モジュール20はY相を与え、交流-交流モジュール30はZ相を与える)。或いは、UPS5は1つ又は複数の単相負荷に結合してもよい。例えば、交流-交流モジュール10、20、及び30は、それぞれ単相電力を1つ又は複数の負荷に供給できる。
【００６４】
段階1415で、UPS5は交流給電が許容可能かどうか判断する。UPS5が交流入力電力を許容可能だと判断すると、処理1400は段階1420に進む。UPS5が入力電力を許容不可能であると判断すると、例えば停止且つ/又は不安定だと(例えば低電圧状態)判断されると、処理1400は段階1430に進む。
【００６５】
段階1420において、交流-直流モジュール11、21、及び31は、入力される交流電力をバス60、61、63、及び64に与えられる直流電力に変換する。交流-直流モジュール11、21、及び31は、起動時又は安定的な電力がUPS5に与えられると初期化される(例えば、スイッチは、与えられる電力信号に対応する状態に切り替わる)。次の説明は交流-直流モジュール11に注目しているが、交流-直流モジュール21及び31の動作はこれに似たものでよい。交流-直流モジュール11は、組合せ低域フィルタ及びブーストコンバータ(すなわち、コンデンサ280とインダクタ285の組合せ)を用いて入力交流電力を処理する。PWMコントローラ275は、交流-直流変換器11が受け取っている電力信号の関数としてスイッチ210、220、230、240、250、及び260を制御するよう構成されている。例えば、PWMコントローラ275は、スイッチ210、220、230、240、250、及び260を3つの動作状態のうち何れかで動作させる。第1状態では、PWMコントローラ275は、相互排他的にスイッチ210及び220のオン/オフ切り替えし、スイッチ230及び250をオン位置に保持し、スイッチ240及び260をオフ位置に保持する。第2状態では、PWMコントローラ275はスイッチ210及び260をオフ位置に保持し、スイッチ220及び250をオン位置に保持し、相互排他的にスイッチ230及び240のオン/オフ切り替えする。第3状態では、PWMコントローラはスイッチ210及び260をオフ位置に保持し、スイッチ220及び240をオン位置に保持し、相互排他的にスイッチ250及び260のオン/オフ切り替えする。交流-直流モジュール11に与えられる交流入力が出力265で与えられる電圧の三分の一より大きい場合、PWMコントローラ275は交流-直流変換器11を第1状態で動作させる。交流-直流モジュール11に与えられる交流入力が、出力265で与えられる電圧の三分の一と、出力268で与えられる電圧の三分の一の間である場合、PWMコントローラ275は交流-直流変換器11を第2状態で動作させる。交流-直流モジュール11に与えられる交流入力が出力268で与えられる電圧の三分の一より小さい場合、PWMコントローラ275は交流-直流変換器11を第3状態で動作させる。
【００６６】
段階1425において、直流-直流変換器1000はバッテリ50を充電する。直流-直流変換器1000は、バス60、61、63、及び64から第1組の直流電圧を受け取る。UPS5が給電から適切な電力を受け取っている時は、直流-直流変換器1000は、第1組の電圧をバッテリ50に与えられる第1の直流電圧に変換する。バッテリ50に与えられる電圧は、バス64に存在する電圧とバス64に存在する電圧の三分の一との間である。
【００６７】
PWMコントローラ1115は、直流-直流変換器1000を、第1組の電圧を第1電圧に変換するバックコンバータとして機能させる。スイッチ1010及び1040が概ね同時にオン・オフ切り替えする一方、PWMコントローラ1115はスイッチ1020及び1030をオフ位置に保持させておく。スイッチ1010及び1040がオンになる度に、インダクタ1080及び1085は帯電し、バッテリ1095及び1100は第1電圧と実質的に同じ電圧を受け取る。スイッチ1010及び1040がオフになる度に、インダクタ1080及び1085は放電し(例えば、ダイオード1015及び1025を電流がフリーホイールする)、第1電圧を実質的にバッテリ1095及び1100に与える。スイッチ1010及び1040はインダクタ1080及び1085が完全に放電する前にオン状態に切り替わるのが好ましい。
【００６８】
段階1430で、PWMコントローラ1115は、直流-直流変換器1000を、第2電圧を第2組の電圧に変換するブーストコンバータとして機能させる。スイッチ1010及び1040がオフ位置を維持する間、PWMコントローラ1115はスイッチ1020及び1030を概ね同時にオン・オフ切り替えさせる。スイッチ1020及び1030がオンに切り替わる毎に、インダクタ1080及び1085はバッテリ1095及び1100からの電力を用いて帯電させる。スイッチ1020及び1030がオフに切り替わる度に、インダクタ1080及び1085は放電し、電流がダイオード1005及び1035をフリーホイールする(例えば、バッテリ1095及び1100及びインダクタ1080及び1085に蓄積されたエネルギーによる)。スイッチ1020及び1030は、インダクタ1080及び1085が完全に放電する前にオン状態に切り替わることが好ましい。コンデンサ1070及び1075を用いて、ノード1090、1091、1093及び1094に与えられる電力中のリプル電流を減少可能である。さらに、UPSスイッチはバッテリ50から直流電力を受け取る状態に設定される。例えば、交流給電が利用できない且つ/又は不安定であることを検出すると、交流-直流モジュール11の全スイッチをオフ位置に設定することで、接続13はバス64、63、61、及び60から切り離される。同様に、交流-直流変換器21及び31の動作もこれに類似している。
【００６９】
段階1435では、直流バスバランサー1200はバス60、61、63、64に存在する電圧を釣り合わせる。段階1435は他の段階の間に挿入された段階として示したが、直流バスバランサー1200は、UPS5の動作時に他の段階と並行してバス60、61、63、64に存在する電圧を釣り合わせる。直流バスバランサー1200は、コンデンサ1205、1210、1215、及び1220に蓄積されたエネルギーを必要に応じてバス64、63、61及び60に移動させることで、バス60、61、63、及び64において所望の電圧を釣り合わせ且つ維持するよう構成されている。スイッチ1235、1245、1255、1265、1275、及び1285はPWMコントローラ1315により切り替えられる。PWMコントローラ1315はスイッチ1235、1245、1255、1265、及び1285を第1及び第2状態に切り替える。第1状態で、スイッチ1235、1255、及び1275はオンとなる一方、スイッチ1245、1265、及び1285はオフに設定される。第2状態では、スイッチ1235、1255、及び1265はオフに設定される一方、スイッチ1245、1265、及び1285はオンに設定される。直流バスバランサー1200内の電圧は(既に示した)表1に記載したように変動する。従って、ノード1310、1311、1313、及び1314がそれぞれ450V、150V、-150V、及び-450Vを与える時は、表1に示した各接合点は約300Vで変動する(ピークからピーク)。直流バスバランサー段階1435の残りの説明では、バス64、63、61、及び60がそれぞれ450V、150V、-150V、及び-450V(中性に対して)を与えるものと仮定する。
【００７０】
直流バスバランサー1200の平衡動作時において(例えばノード1310、1311、1312、1313、及び1314における電圧が所望レベルである)、表1に記載した各接合点に存在する信号は実質的に方形になるはずである。従って、平衡動作時において、表1に記載した各接合点での電圧振動は、実質的に同相であり、実質的に同じ振幅を備えるはずである。共振タンク1320と1325との間の電圧差はバス60とバスとの間の合計直流電圧(例えば、300V)に概ね同一乃至三分の一である(例えば、300V)。コンデンサ1225及び1230は、それぞれ共振タンク1320と1325との間の電位まで帯電する(例えば、300V)。
【００７１】
直流バスバランサー1200は、共振タンク1320及び1325に蓄積されたエネルギーを用いてノード1310、1311、1312、1313、及び1314の不平衡電圧を補正する。直流バスバランサー1200の不平衡動作時において、表1に記載した接合点に誘導される方形波電圧の振幅は不均等となりうる。これは、方形波電圧が共振タンク1320及び1325の1つ又は複数の両端にかかる原因となりうる。共振タンク1320及び/又は1325それぞれの両端に電圧がかかると、電流が共振タンク1320及び/又は1325それぞれに流れる。共振タンク1320及び/又は1325に流れる電流の量は、共振タンク1320及び1325のインピーダンスを下げること(例えば、インピーダンスがゼロに近づく)により増大可能である。共振タンク1320及び1325のインピーダンスが下がるように、PWMコントローラ1315は、ある周波数でスイッチ1235、1245、1255、1265、1275、及び1285を切り替える。例えば、スイッチング周波数が共振タンク1320及び1325の共振周波数と同一に近づくにつれ、共振タンク1320及び1325のインピーダンスはゼロに近づく。共振タンク1320及び1325に電圧が存在する時は、高い電圧を備えたコンデンサ(例えば、コンデンサ1205、1210、1215、及び1220の中の)から低い電圧を備えたコンデンサ(例えば、コンデンサ1205、1210、1215、及び1220の中の)に向かって電流が流れる。より高い電圧を備えたコンデンサ(例えば、コンデンサ1205、1210、1215、及び1220の中の)の両端に結合されているスイッチ(例えば、スイッチ1235、1245、1255、1265、1275、及び1285の中の)は発生器として機能し、共振タンク1320及び/又は1325を流れる交流電流を発生し、最も低い電圧を備えたコンデンサ(例えば、コンデンサ1205、1210、1215、及び1220の中の)に向かう有効電力の流れを確立させる。好適には、不平衡コンデンサ間の電圧差がダイオード1240、1250、1260、1270、1280、及び1290の順方向電圧降下(例えば数ボルト)を上回る時は、共振タンク1320及び1325を流れる電流が発生する。
【００７２】
共振タンク1225及び1230内に流れる誘導電流の波形(例えば、直流バスバランサー1200の不平衡動作によるもの)は正弦波に似ている。好適には、スイッチ1235、1245、1255、1265、1275、及び1285が切り替わる周波数が、共振タンク1225及び1230の共振周波数に近づくにつれ、誘導電流のゼロ交差が第1状態と第2状態との間の不感時間のより近くで発生し、これがスイッチング損失の減少を可能とする。
【００７３】
段階1440では、バス60、61、63、及び/又は64における直流電力は、直流-交流変換器12、22、及び32によって交流電力に変換される。直流-交流変換器12、22、及び32は、それぞれ直流-交流変換器700として構成されるのが好ましい。直流-交流変換器700は、バス60、61、63、及び64を介して交流-直流変換器200又はバッテリ50から電力を受け取る。直流-交流変換器700は、入力765及び入力768に存在する電圧と概ね等しいピーク電圧を備えた交流出力を発生する。各直流-交流変換器12、22、及び32の位相は、標準的な三相電流が負荷に与えられるように変化させるのが好ましい。
【００７４】
図9及び10も参照すると、直流-交流変換器700は、スイッチ710、720、730、740、750、及び760を所定の順番で切り替えることにより直流電力を交流電力に変換する。PWMコントローラ775は、出力702における所望の出力に従ってスイッチ710、720、730、740、750、及び760を異なる順番で切り替える。所望の出力(出力702における)が入力765及び766に存在する電圧の間であれば、PWMコントローラ775はスイッチ710及び720を積極的にオン/オフ切り替えし、スイッチ730及び750をオン位置に設定し、スイッチ740及び760をオフ位置に設定する。所望の出力(出力702における)が入力766及び767に存在する電圧の間であれば、PWMコントローラ775はスイッチ730及び740を積極的にオン/オフ切り替えし、スイッチ720及び750をオン位置に設定し、スイッチ710及び760をオフ位置に設定する。所望の出力(出力702における)が入力767及び768に存在する電圧の間であれば、PWMコントローラ775はスイッチ750及び760を積極的にオン/オフ切り替えし、スイッチ720及び540をオン位置に設定し、スイッチ710及び730をオフ位置に設定する。これら3つの状態それぞれで、積極的に切り替えられているスイッチ710、720、730、740、750、及び760のデューティサイクルは、フィルタ770の出力が概ね交流となるように変化させる(例えば図9及び10に示したように)。フィルタ770(例えば、LC低域フィルタ)は、ノード780で与えられる信号を、出力702に与えられる実質的に交流の信号にフィルタする。
【００７５】
段階1445では、交流電力が負荷に与えられる。負荷に与えられる電力の構成は、所望の動作によって変わりうる。例えば、直流-交流変換器12、22、及び32それぞれは三相電力接続の1相を与えることができ、直流-交流変換器12、22、及び32の全部又は一部は単相を備えた電力を与えることができ、直流-交流変換器12、22、及び32それぞれは単相電力を個別の負荷に与えることができる、等である。
【００７６】
これ以外の実施形態も本発明の範囲及び精神に入る。例えば、ソフトウェアの性質により、上述の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、ハードワイヤリング、又はこれらの任意組合せで実現できる。機能の諸部分が物理的に異なる場所で実現されるよう、機能を実現する特徴は分散も含め様々な場所に物理的に配置してよい。3つの直流-交流変換器を示したが(例えば、直流-交流変換器12、22、32、及び42)、単相電力しか所望しないのなら、単一の直流-交流変換器を用いてもよい。上述の交流-直流及び直流-交流変換器は多数の並列回路に分割でき、交互に切り替えて、例えばバスにおけるリプル電流を減少できる。バス61、62、64及び65は本明細書で記載したものと異なっていてもよい。バッテリは直流-直流変換器を用いることなくバス61、63、及び64に直接結合してもよい。直流バス対称性(原語:bus
symmetry)は交流-直流変換器の修正制御手法により制御できる。
【００７７】
図1を参照すると、UPS5は直流-直流モジュール40を含んでいるが、直流-直流モジュール40は省略できる。例えば、UPSは、直流-直流モジュール40なしで三相給電を第1電圧から第2電圧に変換可能である。
【００７８】
本明細書には多数の異なるコンデンサが記載されているが、2つ以上のコンデンサを単一のコンデンサに集約可能である。例えば、図10はバス64とバス63との間に結合されたコンデンサ905を示し、図11はバス64とバス63との間に結合されたコンデンサ1050を示し、図12はバス64とバス63との間に結合されたコンデンサ1205を示している。コンデンサ905、1050、及び1205は単一の共有コンデンサとすることができる。
【００７９】
図2を参照すると、交流-直流変換器200は、正及び負の直流電圧の両方を与える4クワドラントインバータとして構成されているが、交流-直流変換器は他の様態で構成可能である。例えば、交流-直流変換器は、スイッチ210及び260をダイオードと取り替えることで、入力線間電圧の正の半サイクルでは、正の直流電圧のみ(又、入力線間電圧の負の半サイクルでは、負の直流電圧のみ)を与える2クワドラント整流器として構成できる。 
【００８０】
本開示は共具備装置（例えば並列に結合されたスイッチとダイオード）を用いているが、他の回路も可能である。例えば、電流を第一方向に実質的に抑制のない状態で流すよう構成された回路であって、同時に第1方向の反対方向への電流の流れは選択的に制御するものを使用してもよい。
【００８１】
上記の記載は本発明に関するものであるが、この記載は1つ以上の発明を含むことがある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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