(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子のオン・オフにより、平滑コンデンサが並列に接続された入力端子からその端子電圧よりも低い電圧の出力端子へ直流電力を伝達し、かつ、前記出力端子から前記入力端子へ直流電力を伝達する双方向チョッパを備えた電源装置であって、
前記入力端子に直流電源及び負荷が互いに並列的に接続され、前記出力端子に第１の蓄電用コンデンサが接続されると共に、直流電源の正常時にはこの直流電源から負荷に電力を供給すると同時に双方向チョッパを介して第１の蓄電用コンデンサを充電し、直流電源の停電時には第１の蓄電用コンデンサから双方向チョッパを介して負荷に直流電力を供給する電源装置において、
前記出力端子と前記入力端子との間に、第１のダイオードと第２のダイオードとを順次直列に接続し、かつ、第１の蓄電用コンデンサと第１のダイオードとからなる直列回路に並列に、第２の蓄電用コンデンサを接続し、
直流電源の停電時に、前記平滑コンデンサの電圧が第２の蓄電用コンデンサの電圧を下回った際に第２の蓄電用コンデンサの放電電流を第２のダイオードを介して負荷に供給することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載した電源装置において、
直流電源の復電時に第２の蓄電用コンデンサを第１の蓄電用コンデンサよりも優先的に充電するための第１のスイッチを、前記出力端子と第１の蓄電用コンデンサとの間に設けたことを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した電源装置において、
直流電源の停電時に第１の蓄電用コンデンサからの供給電力により第２の蓄電用コンデンサを充電するための第２のスイッチを、第２のダイオードに並列に設けたことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気二重層コンデンサ等の大容量のコンデンサを停電バックアップ用の蓄電素子として用い、双方向チョッパにより前記コンデンサの充電及び負荷への電力供給を行うようにした電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、この種の電源装置の従来技術を示している。
図４において、１は電気二重層コンデンサ等からなる停電バックアップ用の大容量の蓄電用コンデンサ、２はリアクトル、３，４は例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）及び逆並列ダイオードからなる半導体スイッチング素子であり、順方向電流の通流、遮断を制御可能で、しかも逆方向電流に対しては常に通流可能な素子である。また、５は平滑用コンデンサ、６は負荷、７は直流電源を示す。
【０００３】
ここで、リアクトル２、スイッチング素子３，４、平滑コンデンサ５は双方向チョッパＣＨを構成しており、Ｔ１，Ｔ２は入力端子、Ｔ３，Ｔ４は出力端子である。この双方向チョッパＣＨは、上アームのスイッチング素子３のオン・オフ動作により、入力端子Ｔ１からその端子電圧よりも低い電圧の出力端子Ｔ３へ直流電力を伝達し、また、下アームのスイッチング素子４のオン・オフ動作により、前記出力端子Ｔ３から前記入力端子Ｔ１へ直流電力を伝達可能である。
【０００４】
上記従来技術において、直流電源７が正常な場合には、この直流電源７から負荷６へ電力が供給される。このとき、上アームのスイッチング素子３をオン・オフすることにより、リアクトル２を介して蓄電用コンデンサ１に充電電流が流れ、コンデンサ１が充電される。このため、スイッチング素子３のオン・オフの時間比率（デューティ比）を制御することにより、充電電流の制御が可能である。なお、スイッチング素子３のオン・オフに伴って直流電源７側の電流は断続波形となるので、これを平滑するために平滑用コンデンサ５を設けている。
【０００５】
また、直流電源７の停電時には、下アームのスイッチング素子４をオン・オフさせ、リアクトル２を介して蓄電用コンデンサ１を放電させることにより、コンデンサ１からスイッチング素子３の逆並列ダイオードを介して負荷６に直流電力を供給する。
蓄電用コンデンサ１の電圧は放電に伴って低下していくが、スイッチング素子４のオン・オフの時間比率を制御することで放電電流を制御することができ、これによって平滑用コンデンサ５の両端電圧を蓄電用コンデンサ１の電圧に関わらず一定に保っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、負荷６がコンタクタ、コンプレッサ、ランプのように大きな起動電流を必要とするものである場合、短時間ではあるが、負荷６に定常時の数倍から１０倍以上の大電流を流す必要がある。
従って、直流電源７が停電している場合には、負荷６の起動時に、蓄電用コンデンサ１からリアクトル２やスイッチング素子３，４を介して上述した大電流を流す必要が生じる。
【０００７】
特に、蓄電用コンデンサ１の電圧が低い時には、負荷６への供給電力を等しくするために双方向チョッパを通過する電流は負荷電流よりも大きな電流となる。例えば、蓄電用コンデンサ１の電圧が平滑用コンデンサ５の電圧の１／４である場合、リアクトル２を流れる電流は負荷電流の４倍になっている。
この状態で定常時の１０倍の起動電流が負荷６に流れると、リアクトル２の電流は定常時負荷電流の４０倍にも達する。
【０００８】
このような大電流にも対応可能とするために、従来では双方向チョッパを構成するリアクトル２やスイッチング素子３，４に電流定格が大きいものを使用する必要があり、その結果、チョッパや電源装置全体の大型化、高価格化を招いていた。
【０００９】
そこで本発明は、直流電源の停電時に大きい起動電流が要求される場合にも、双方向チョッパを構成する回路素子に大電流が流れないようにして、装置の小型軽量化、低価格化を可能にした電源装置を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、スイッチング素子のオン・オフにより、平滑コンデンサが並列に接続された入力端子からその端子電圧よりも低い電圧の出力端子へ直流電力を伝達し、かつ、前記出力端子から前記入力端子へ直流電力を伝達する双方向チョッパを備えた電源装置であって、
前記入力端子に直流電源及び負荷が互いに並列的に接続され、前記出力端子に第１の蓄電用コンデンサが接続されると共に、直流電源の正常時にはこの直流電源から負荷に電力を供給すると同時に双方向チョッパを介して第１の蓄電用コンデンサを充電し、直流電源の停電時には第１の蓄電用コンデンサから双方向チョッパを介して負荷に直流電力を供給する電源装置において、
前記出力端子と前記入力端子との間に、第１のダイオードと第２のダイオードとを順次直列に接続し、かつ、第１の蓄電用コンデンサと第１のダイオードとからなる直列回路に並列に、第２の蓄電用コンデンサを接続し、
直流電源の停電時に、前記平滑コンデンサの電圧が第２の蓄電用コンデンサの電圧を下回った際に第２の蓄電用コンデンサの放電電流を第２のダイオードを介して負荷に供給するものである。
【００１１】
これにより、直流電源の正常時に第２の蓄電用コンデンサを満充電状態で待機させておき、直流電源の停電時における負荷の起動電流の一部を双方向チョッパを介さずに第２の蓄電用コンデンサから第２のダイオードを介して負荷に供給する。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載した電源装置において、直流電源の復電時に第２の蓄電用コンデンサを第１の蓄電用コンデンサよりも優先的に充電するための第１のスイッチを、前記出力端子と第１の蓄電用コンデンサとの間に設けたことを特徴とし、直流電源の復電時に第２の蓄電用コンデンサの電圧が不足することによって負荷へ十分な起動電流が供給できなくなるのを防止するものである。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載した電源装置において、直流電源の停電時に第１の蓄電用コンデンサからの供給電力により第２の蓄電用コンデンサを充電するための第２のスイッチを、第２のダイオードに並列に設けたことを特徴とし、停電時における第２の蓄電用コンデンサの再充電により再度の起動電流に備えるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態を示す回路図であり、請求項１に記載した発明の実施形態に相当する。ここで、図４と同一の回路構成要素には同一の番号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。
【００１５】
図１において、蓄電用コンデンサ（第１の蓄電用コンデンサとする）１のリアクトル２側の一端（双方向チョッパＣＨの出力端子Ｔ３）には第１のダイオード１２のアノードが接続されている。第１のダイオード１２のカソードは第２のダイオード１３のアノードに接続され、そのカソードは双方向チョッパＣＨの入力端子Ｔ１に接続されている。
また、第１の蓄電用コンデンサ１と第１のダイオード１２との直列回路には、比較的小容量の第２の蓄電用コンデンサ１１が並列に接続されている。
【００１６】
この実施形態の動作を説明すると、直流電源７の正常時には、直流電源７から負荷６へ電力が供給される。その一方で、上アームのスイッチング素子３のオン・オフにより、リアクトル２を介して蓄電用コンデンサ１が充電されると共に、このコンデンサ１がほぼ満充電になると、第２の蓄電用コンデンサ１１がリアクトル２及びダイオード１２を介して充電される。
第２の蓄電用コンデンサ１１の電圧は、満充電状態では直流電源７の電圧より僅かに低くなっている。言い換えれば、平滑コンデンサ５の電圧は蓄電用コンデンサ１１の電圧より僅かに高く保たれるので、蓄電用コンデンサ１１の電荷がダイオード１３を介して放電することはない。
【００１７】
直流電源７の停電時には、図４の回路と同様に下アームのスイッチング素子４をオン・オフすることにより、リアクトル２を介して第１の蓄電用コンデンサ１を放電させ、このコンデンサ１からリアクトル２、上アームのスイッチング素子３の逆並列ダイオードを介して負荷６に電力を供給する。この時点で、第２の蓄電用コンデンサ１１から双方向チョッパを通る放電経路は、逆方向接続されたダイオード１２により遮断されている。
【００１８】
この状態で、前記同様にスイッチング素子４のオン・オフの時間比率を制御することで、双方向チョッパを介して負荷６へ供給される電流が過大になるのを防止する。同時に、負荷６がコンタクタ、コンプレッサ、ランプのように大きな起動電流を必要とする場合には、電流の不足を補うために平滑コンデンサ５が放電してその電圧が低下する。そして、平滑コンデンサ５の電圧が第２の蓄電用コンデンサ１１の電圧を下回った時点でダイオード１３が導通し、第２の蓄電用コンデンサ１１の放電電流が負荷６に供給される。
負荷６の起動電流が必要なくなれば、平滑用コンデンサ５の電圧が再び上昇し、その電圧が第２の蓄電用コンデンサ１１の電圧を上回った時点で蓄電用コンデンサ１１の放電が停止することになる。
【００１９】
負荷６の起動電流が要求される時間は短時間であるため、第２の蓄電用コンデンサ１１の容量は第１の蓄電用コンデンサ１に比べて小さくてよい。また、ダイオード１３は負荷６の起動電流の一部を流す必要があるが、前述したような定常時負荷電流の数１０倍（または起動電流の数倍）の電流ではないと共に、一般にダイオードに短時間の電流耐量を持たせるのは、半導体スイッチング素子等に比べてコスト面などで比較的容易であるため、実用上、問題にはならない。
【００２０】
なお、平滑コンデンサ５の容量を大きくして第２の蓄電用コンデンサ１１の機能を持たせることも考えられるが、装置の起動時に不都合を生じる。
すなわち、平滑コンデンサ５が初期充電されていない状態で直流電源７と平滑コンデンサ５とを直接接続すると過電流が流れるため、一般的な装置では、図示しない充電抵抗を用いて電流を制限しつつ平滑コンデンサ５を初期充電する。しかし、平滑コンデンサ５の容量が大きくなると初期充電に時間を要するため、その間の充電抵抗でのエネルギーの散逸やそれによる発熱、必要な充電抵抗の大形化等の問題を新たに生じることになる。
このような理由から、平滑コンデンサ５の容量増大は有効な解決策となり得ないものである。
【００２１】
次に、図２は本発明の第２実施形態を示す回路図であり、請求項２に記載した発明の実施形態に相当する。
この実施形態は、図１における出力端子Ｔ３と第１の蓄電用コンデンサ１との間に、第１のスイッチ１４を接続したものである。
【００２２】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に直流電源７の停電時に負荷６の起動電流の一部を第２の蓄電用コンデンサ１１から供給する。直流電源７が復電すると第１の蓄電用コンデンサ１が再充電され、このコンデンサ１がほぼ満充電になると、ダイオード１２が導通して第２の蓄電用コンデンサ１１が充電される。
しかし、第１の蓄電用コンデンサ１の電圧がほぼ満充電状態になる前に直流電源７が再度停電すると、コンデンサ１から定常負荷電流は供給可能であるが、第２の蓄電用コンデンサ１１の充電が不十分であるために起動電流を確実に供給できなくなる。
【００２３】
そこで本実施形態では、直流電源７の復電時にはまずスイッチ１４をオフして第２の蓄電用コンデンサ１１を優先的に充電し、その後にスイッチ１４をオンして第１の蓄電用コンデンサ１を充電するようにした。
第２の蓄電用コンデンサ１１は第１の蓄電用コンデンサ１よりも小容量で済むから充電時間も短く、復電直後に直流電源７が再度停電したとしても、第２の蓄電用コンデンサ１１からダイオード１３を介して負荷６に起動電流の一部を供給することができる。
【００２４】
図３は本発明の第３実施形態を示す回路図であり、請求項３に記載した発明の実施形態に相当する。
この実施形態は、図１におけるダイオード１３に並列に第２のスイッチ１５を設けたものである。
【００２５】
図１に示した第１実施形態では、第２の蓄電用コンデンサ１１の再充電は直流電源７の復電後に行われるので、その復電前（すなわち停電時）に、想定した以上の起動電流が発生した場合には第２の蓄電用コンデンサ１１による電流供給が不可能になる。
【００２６】
これに対し、本実施形態では、第２の蓄電用コンデンサ１１の充電が完了してその電圧が平滑コンデンサ５の電圧とほぼ等しくなった時点でスイッチ１５をオンするようにした。直流電源７の停電時に第２の蓄電用コンデンサ１１の放電が行われた場合、第１の蓄電用コンデンサ１からの供給電力はスイッチング素子３の逆並列ダイオード及びスイッチ１５を介して第２の蓄電用コンデンサ１１にも供給されるので、停電中でも速やかに蓄電用コンデンサ１１の再充電が行われることになり、再度の起動電流の発生に備えることができる。
【００２７】
上記各実施形態の何れを選択するかは、負荷６の起動電流の発生回数を予め規定できるか否か、あるいは、想定される直流電源７の停電頻度等によって決定される。
なお、第２、第３実施形態の組み合わせ、つまり、図２に示した第１のスイッチ１４を図３の回路に付加した回路構成も本発明に包含されるものである。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、直流電源の停電時に負荷の起動電流の一部を双方向チョッパを介することなく第２の蓄電用コンデンサから供給するようにしたため、チョッパを構成するリアクトルや半導体スイッチング素子の電流定格を小さく押さえることができる。このため、双方向チョッパひいては電源装置の小型軽量化、低価格化を図ることができる。
また、直流電源の復電後の再停電時や起動電流が頻繁に要求されるような場合にも、所定の起動電流を確実に供給することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す回路図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す回路図である。
【図４】従来技術を示す回路図である。
【符号の説明】
ＣＨ  双方向チョッパ
Ｔ１，Ｔ２  入力端子
Ｔ３，Ｔ４  出力端子
１，１１  蓄電用コンデンサ
２  リアクトル
３，４  半導体スイッチング素子
５  平滑用コンデンサ
６  負荷
７  直流電源
１２，１３  ダイオード
【図１】
0004086511.tif 000002
【図２】
0004086511.tif 000003
【図３】
0004086511.tif 000004
【図４】
0004086511.tif 000005