(57)【要約】 【課題】  停電などで長時間電源が停止しても対応が可能なコンバータモジュールを提供する。【解決手段】  回路基板に、コンバータ１３と、電気二重層コンデンサ２１（１３）と、該電気二重層コンデンサの入力部に接続した抵抗１６と、該抵抗と入力端子との間に接続した第１のダイオード１４と、前記電気二重層コンデンサの入力部と前記コンバータの直流入力部との間に接続した第２のダイオード１５と、前記抵抗と前記第２のダイオードをバイパスする配線１７とを少なくとも搭載した。回路基板および該基板に搭載された部品が樹脂若しくはケースなどで封止され、モジュール化されている。【選択図】      図１
2005124315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板に、コンバータと、電気二重層コンデンサと、該電気二重層コンデンサの入力部に接続した抵抗と、該抵抗と入力端子との間に接続した第１のダイオードと、前記電気二重層コンデンサの入力部と前記コンバータの直流入力部との間に接続した第２のダイオードと、前記抵抗と前記第２のダイオードをバイパスする配線とを少なくとも搭載したことを特徴とするコンバータモジュール。
【請求項２】
前記回路基板および該基板に搭載された部品が樹脂若しくはケースなどで封止され、モジュール化されていることを特徴とする請求項１に記載のコンバータモジュール。
【請求項３】
前記樹脂若しくはケースなどで封止されたモジュールの表面に、警報発生手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載のコンバータモジュール。
【請求項４】
前記コンバータの出力部に、警報信号を重畳する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のコンバータモジュール。
【請求項５】
前記コンバータは、ＤＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ−ＡＣコンバータであることを特徴とする請求項１に記載のコンバータモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンバータモジュールに係り、特に、無停電電源として動作する電気二重層コンデンサとＤＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ−ＡＣコンバータ（インバータ）を１枚の回路基板上に搭載して、モジュール化したコンバータモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子回路に使用する電源には、ＤＣ−ＤＣ（ＤＣｔｏＤＣ）コンバータや、ＤＣ−ＡＣ（ＤＣｔｏＡＣ）コンバータなどが用いられている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力直流電圧を変換して降圧や昇圧、または正負反転した出力直流電圧を形成し、次段に出力直流電圧を供給する回路である。ＤＣ−ＡＣコンバータは、入力直流電圧から出力交流電圧を形成し、次段に供給する回路である。
【０００３】
このＤＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＡＣコンバータは、何れも入力直流電圧が何らかの原因で切断（停電）した場合、これらを駆動している回路は動作を停止し、出力直流電圧や出力交流電圧はその瞬間に異常値が出力されてしまう場合がある。この結果、コンバータ出力によって動作する電子機器の重要な情報が蒸発するなど、多くの不具合が発生する。この瞬間的な電源の切断に対処するために考案されたのがＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply：無停電電源）であり、停電時にも回路に電力を供給することができる電源を備えている。このＵＰＳは、例えばバッテリで構成される。これは入力交流電源を整流し、直流を鉛蓄電池などの２次電池に充電して置き、これを停電時に回路に供給することで、回路の動作が中断しないようにしている。ＵＰＳは、鉛蓄電池などを使用する場合には、形状が大きくて重く、持ち運びが面倒である。
【０００４】
この様な回路に供給する電源に停電が発生した場合、この停電によって電子機器には、２つの対応が考えられる。１つは停電が発生したとき、電子機器の情報を適切に処理し、安全に動作を停止させる方法である。他の１つは、停電が発生したとき、電子機器に直流電力を供給し、その動作を保持していく方法である。前者では、つまり停電が発生したとき、電子機器の情報を適切に処理し動作を停止させるための一時的な電源を安定に供給するための手段が必要である。
【０００５】
ところで、大容量のコンデンサとして、電気二重層コンデンサが知られている。そして、この電気二重層コンデンサを直流電源の電力蓄積素子として用いることで、電源に瞬断等が生じた場合に一時的に回路に直流電源を供給し、回路の動作を継続させることが可能である（特許文献１参照）。
【特許文献１】実用新案登録第３０９３５７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、停電などで長時間電源が停止しても対応が可能なコンバータモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のコンバータモジュールは、回路基板に、コンバータと、電気二重層コンデンサと、該電気二重層コンデンサの入力部に接続した抵抗と、該抵抗と入力端子との間に接続した第１のダイオードと、前記電気二重層コンデンサの入力部と前記コンバータの直流入力部との間に接続した第２のダイオードと、前記抵抗と前記第２のダイオードをバイパスする配線とを少なくとも搭載したことを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、回路基板および該基板に搭載された部品が樹脂若しくはケースなどで封止され、モジュール化されていることが好ましく、樹脂で封止された表面に、警報発生手段を備えることが好ましい。また、コンバータの出力部に警報信号を重畳する手段を備えることが好ましい。
【０００９】
上記本発明によれば、無停電電源として機能する電気二重層コンデンサとＤＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＡＣコンバータを一体化してモジュール化することができ、電源側で停電が生じた場合には、自動的に電気二重層コンデンサからコンバータに直流電力を供給することができる。これにより、非常に小さく、非常に軽く、持ち運びに便利な、無停電電源機能を備えたコンバータモジュールが提供される。また、無停電電源機能の実現に、鉛蓄電池を使用しないで、電気二重層コンデンサを使用することで、環境問題にも好ましい。また、停電の検出機能および伝達機能を備えることで、長時間の停電にも対応が可能である。
【発明の効果】
【００１０】
総じて本発明によれば、非常に小さく、非常に軽く、持ち運びに便利な、無停電電源機能を備えたコンバータモジュールが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態によるコンバータモジュールの概略構成を示し、図２はその要部の回路構成例を示し、図３はその構造例を示す。このコンバータモジュール１１は、電気二重層コンデンサによる無停電対応回路１２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ若しくはＤＣ−ＡＣコンバータ１３とを組込んで、一体化構成してオンボード化したことを特徴とするものである。即ち、電気二重層コンデンサによる無停電対応回路１２は、停電に応答して放電する電気二重層コンデンサからなる電荷蓄積・電荷放出回路２１と、停電を検出して報知する検出回路２２とを備え、停電に対応して一時的に直流電力をコンバータ１３に供給すると共に、停電を検出して報知することで、後段の電子機器の情報を適切に処理し動作を停止させるための信号を供給するものである。
【００１３】
電気二重層コンデンサは大容量である。このため、この回路に直流入力電圧を印加したとき、大電流が流れる為に、入力は瞬間的に短絡状態になる。これは回路を破壊しかねない。さらに、電気二重層コンデンサがある程度の電圧に充電するまで、コンバータの入力電圧が低すぎてもある時間動作しない。このため、このモジュール１１においては、第１と第２の逆流防止ダイオード１４，１５とともに、抵抗器１６および配線１７を備えている。
【００１４】
これにより、電線の抵抗より高い値を持つ抵抗器１６を電気二重層コンデンサの前段に接続することで、入力直流電圧を第１の逆流防止ダイオード１４および抵抗器１６を介して電気二重層コンデンサ２１に印加して、これを充電することができる。従って、電気二重層コンデンサの充電にともなう大電流の流通を防止して、安全に充電することができる。そして、電気二重層コンデンサの充電後に、停電により電源側の入力直流電圧が切断された場合には、第２の逆流防止ダイオード１５を介して、コンバータ１３に直流入力電圧を供給することができ、瞬時にコンバータ１３への直流電力供給動作が可能となる。このため、コンバータ１３では電源側の停電の影響を受けることなく、自動的に連続的な給電動作が可能となる。このとき、第１の逆流防止ダイオード１４により、電気二重層コンデンサ２１側から入力電源側に直流電力が逆流することを防止する。なお、入力電源側の停電時以外は、逆流防止ダイオード１４およびバイパス配線１７を介して、入力直流電力がコンバータ１３に入力電源側から直接供給される。このため、放電により電気二重層コンデンサ２１の電圧が低下しても、入力電源側から正規の電圧をコンバータ１３に供給しつつ、電気二重層コンデンサ２１を充電することができる。
【００１５】
入力直流電源が切断され、電気２重コンデンサ側からの電力供給に切り替わった瞬間に波形の乱れは生じない。これは常時電気二重層コンデンサ２１からもコンバータ１３が導通状態にあり、且つ電気二重層コンデンサは、大容量であり、パルス状の高い電力を瞬間的に供給できるためと考えられる。これにより、瞬時停電が回避できる。
【００１６】
なお、電気二重層コンデンサの耐圧は２．３Ｖと低い為に、コンバータ１３の入力直流電圧を１２Ｖで使用する場合には、６個直列に接続する必要がある。このとき、それぞれの電気二重層コンデンサ２１に加わる電圧が僅かな容量の差によって異なる為、それぞれの電気二重層コンデンサに抵抗器２４を並列に接続して、分担電圧の均一化を図っている。なお、この実施形態においては、コンバータ１３の定格入力電力が１２Ｖ／５Ａとして、５０Ｆの電気二重層コンデンサを６個直列接続し、１２Ｖ／８Ｆのコンデンサとして用いている。
【００１７】
このコンバータモジュールにおいては、上述したように停電の検出回路２２を備える。停電の検出回路２２は、例えば１０ｍΩ程度の電流検出用低抵抗器であり、停電に際しては図中矢印で示す向きに放電電流が流れ（図２参照）、これによって生じる電圧を低抵抗器両端から取り出すことで、停電を検出することができる。停電の検出回路２２の出力は、処理回路２３に導入され、停電が検出されると停電の検出信号を発生し、ブザーまたはＬＥＤ表示素子等の警報発生手段１９を作動させる。同時に、後述するように信号端子からまたはコンバータ出力信号に重畳させて外部に出力する。また、処理回路２３は、電気二重層コンデンサの電荷残量の演算手段を備え、停電時の直流電力の供給可能な残り時間の情報を、同様に出力することができるようになっている。
【００１８】
図３に示すように、このコンバータモジュール１１は、１枚の回路基板に電気二重層コンデンサ２１、コンバータ１３、逆流防止ダイオード１４，１５、抵抗１６等の各種の部品が搭載されていて、樹脂モールド若しくはケースなどにより封止され、全体として直方体状に成形されている。一例として、寸法は縦（Ｄ）が１１７ｍｍであり、横（Ｗ）が６１ｍｍであり、高さ（Ｈ）が３５ｍｍである。なお、寸法は、搭載される部品のサイズや仕様に対応して適宜変更されることは勿論である。また、この実施形態では、全体としてレンガ状のフルブリックタイプを示すが、部分的に樹脂モールドしたもの、或いは１枚の回路基板に搭載したのみの裸状のものであってもよい。従って、全体として小型・軽量化して取り扱い容易な構成となっている。
【００１９】
そして、このコンバータモジュール１１は、入力側に２本の入力端子ピン２５ａ，２５ｂを備え、入力直流電源側に接続され、入力直流電力が供給される。また、出力側にも２本の出力端子ピン２６ａ，２６ｂと出力信号ピン２７とを備え、出力端子ピン２６ａ，２６ｂは後段の電子機器にコンバータ１３の出力を供給する。出力信号ピン２７は、停電検出回路で検出した停電信号、または電気二重層コンデンサの作動可能な残り時間を表示する信号等を出力する。なお、ブザーまたはＬＥＤや液晶などの表示素子等の警報発生手段１９は、モールド樹脂体等のモジュール表面に配置されている。
【００２０】
図４（ａ）（ｂ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の出力端子ピン２６ａに警報信号を重畳させる例を示す。停電の検出回路２２の出力は、処理回路２３に導入され、停電が検出されると停電の検出信号を発生し、図４（ａ）に示すように、コンバータ回路１３において、発振回路３１に導入し、発振波形を形成し、これをコンバータ１３の出力部３２でその出力直流電圧に重畳する。従って、図４（ｂ）に示すように、コンバータ１３の出力電圧には、警報信号が重畳した形で、後段の電子機器３５に入力される。後段の電子機器３５では、図４（ｃ）に示すように、検波部３６でこれを検波することで、処理回路２３に由来する警報信号を検出することができる。
【００２１】
この警報信号には２種類ある。例として、１つの目の信号は１ｍｓ（１ミリ秒）の１周波信号を１個出す。このときは停電が始まったことの知らせである。２つ目の信号は１ｍｓ（１ミリ秒）の１周波信号を２個出す。このときは電気二重層コンデンサの電荷が間もなく（例１００ｍｓ以内に）枯渇することの知らせである。これを後段の電子機器３５で検出して機器の処理中の情報を安全な様に対応していく。例えば、１つ目の信号を検出した時はメモリ回路の情報をハードデスクなどに回避するなどの処置を取る。２つ目の信号を検出した時は動作中のあらゆる回路を緊急停止する処置を取る。
【００２２】
このように、停電検出の場合は、発振波形１周期分、電気二重層コンデンサの残量が僅かとなった場合は、発振波形２周期分等と決めておくことで、後段の電子機器側では、警報信号の種別を判定することができる。これにより、警報信号の授受のための配線（信号線）を設けることなく、後段の電子機器側との警報信号の授受が可能となる。また、重畳する信号は、コンバータ１３の出力電力に対してごく僅かな量であるので、後段の電子機器の動作に影響を及ぼすことがない。
【００２３】
図５は、ＤＣ−ＤＣコンバータから複数の直流電圧出力されている場合、入力電源側の停電が検出されたときに、優先度の低い出力端子から自動的に切断する例を示す。この例では、コンバータ１３は、出力端子３３ａ，３３ｂ，３３ｃの３本を備えている。そして、処理回路２３から停電の検出信号が入ると、あらかじめ定めてある優先度の低い出力端子３３ａ，３３ｂをオフにして、優先度の高い出力端子３３ｃのみを動作させるようにしている。これにより、電気二重層コンデンサの有する電荷（直流電力）を有効利用することができる。さらに、停電の検出信号を後段の電子機器３５に伝達して、データのメモリへの保存等の処置が完了した後、出力電圧が指定の電圧より下がった時、出力を自動的に遮断するようにすることも可能である。
【００２４】
次に、電気二重層コンデンサによる無停電電源機能について説明する。電気二重層コンデンサは、表面積が大きくできる炭素粒子の電極と電解液面の異なる２層すなわち電気２重層によりコンデンサを形成している。電極に電位を加えると、高濃度のイオンが簡単に移動できる。電解質内のイオンは、電極と反対の極性をもつものが電極との界面に移動する。この時、電極と電解質の境界面でコンデンサが形成され、それらの電極間は数ｎｍと非常に薄い。一方、電極の面積は、炭素微粒子により形成されるため表面積は非常に大きい。反対側の電極に対しても同様の電気２重層の構造が形成される。コンデンサの容量は電極の面積に比例し電極間の距離に反比例する。このことから電気二重層コンデンサの容量は通常のコンデンサより数倍以上大きく、コンデンサ・バッテリとも呼ばれている。
【００２５】
この電気二重層コンデンサ内蔵のＤＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＡＣコンバータでの重要な項目に、どれだけの時間直流電力を供給できるかという問題がある。電気二重層コンデンサの放電時間の算出式は次の式で算出できる。即ち、負荷が一定の抵抗値の定抵抗での放電時間は、
ｔ［ｓｅｃ］＝−Ｃ［Ｆ］×Ｒ［Ω］×ｌｎ（Ｖ１／Ｖ０）
で表される。
ここで、
Ｃ      ：電気二重層コンデンサの容量
Ｒ      ：負荷抵抗
Ｖ１    ：ｔ秒後のコンデンサの電圧
Ｖ０    ：コンデンサの初期電圧
【００２６】
コンバータ１３の運転条件が、直流入力電力で、「１２Ｖ，５Ａ」とした場合、どの位の時間、その動作を維持する電力を供給できるかについて計算してみる。この時、コンバータ１３の等価的な負荷抵抗Ｒは、
Ｒ＝１２Ｖ／５Ａ＝２．４Ω
になる。負荷は純抵抗負荷として計算した。
電気二重層コンデンサの容量は「８Ｆ」（５０Ｆ×６個の直列接続）
Ｖ０＝「１２Ｖ」
Ｖ１＝使用する電気二重層コンデンサに接続したＤＣ−ＤＣコンバータモジュールが動作できる最低電圧を１２Ｖの５０％ダウンとして「６．０Ｖ」とする。
これらを上式に代入し、放電時間ｔを求めてみると、ｔ≒１３５ｓｅｃ（約２分）となる。
【００２７】
現在の商用電源系統の電力供給事情からすると、停電は発生するが、その大部分が１０秒程度未満で復旧するごく短時間のものであると考えられる。従って、上記約２分という電力供給可能時間は、無停電電源内蔵型の機器として、実用上十分なものと思われる。また、停電を検出して、後段の電子機器において作業中のデータをメモリに保存するのにも、上記約２分という電力供給可能時間は、十分なものと思われる。なお、上記計算例は、Ｒ＝１２Ｖ／５Ａ＝２．４Ωという負荷に、電気二重層コンデンサの容量は「８Ｆ」（５０Ｆ×６個の直列接続）である場合についてのものであるが、負荷の大きさと電気二重層コンデンサの容量とを組み合わせることで、任意の時間の直流電力の供給が可能となることは勿論のことである。
【００２８】
なお、電気二重層コンデンサの高周波特性を補う為に、大容量のセラミック・コンデンサを入力直流電源側に挿入するようにしてもよい。
【００２９】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態のコンバータモジュールの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すコンバータモジュールの要部の回路図である。
【図３】図１に示すコンバータモジュールの、（ａ）は立面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図４】（ａ）は出力端子ピンに警報信号を重畳する手段を説明する図であり、（ｂ）はコンバータの直流出力電圧に警報信号を重畳した状態の例を示すタイムチャートであり、（ｃ）は後段の電子機器における警報信号の受信手段を示す図である。
【図５】コンバータが複数の出力端子を備える場合に、停電時に優先度によりオフしていく例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１    コンバータモジュール
１２    無停電対応回路
１３    コンバータ回路
１４，１５    逆流防止ダイオード
１６    抵抗器
１７    配線
１９    警報発生手段
２１    電荷蓄積・電荷放出回路（電気二重層コンデンサ）
２２    検出回路
２３    処理回路
２４    抵抗器
２５ａ，２５ｂ    入力端子ピン
２６ａ，２６ｂ    出力端子ピン
２７    出力信号ピン
３１    発振回路
３２    コンバータの出力部
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ    出力端子
３５    電子機器
３６    検波部
【図１】
2005124315.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005124315.tif 000006
【図５】
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