(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を降圧してバッテリを充電するとともに、該バッテリに充電された充電電圧を前記入力電圧に昇圧して出力する無停電電源装置において、
前記入力電圧を所定電圧に昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路により昇圧された前記所定電圧を前記バッテリの充電に必要な電圧に降圧するとともに、前記バッテリに充電された充電電圧を前記入力電圧の形成に必要な電圧に昇圧する昇降圧トランスと、
を備えた
ことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項２】
前記昇圧回路は、
前記入力電圧を昇圧する昇圧コイルと、
前記昇圧コイルから前記昇降圧トランスに流入する電流を制御する電流制御回路と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
【請求項３】
前記電流制御回路は、ＭＯＳＦＥＴを備えて構成され、該ＭＯＳＦＥＴを用いて前記電流のスイッチング動作を行う
ことを特徴とする請求項２に記載の無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無停電電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
無停電電源装置は、通電時に入力電圧（例えば１００Ｖ商用交流電圧）を降圧してバッテリを充電しておき、停電時に当該バッテリに充電された充電電圧を上記入力電圧に昇圧して出力する電源装置であり、電源の供給を停止することができない機器に接続して用いられる。
【０００３】
かかる無停電電源装置の構成を図面を用いて説明すると、以下の通りである。図５は無停電電源装置のブロック図、図６は従来の一般的な無停電電源装置の回路図である。無停電電源装置１００は、図５に示すように、ＦＥＴブリッジ回路１０２、スイッチング素子１０４、降圧トランス１０６、整流ダイオード１０８、平滑化回路１１０、バッテリ１１２、スイッチング素子１１６、昇圧トランス１１８、整流ダイオード１２０、フライホイールダイオード１２２及び平滑化コイル１２４を備えて構成される。また、図６に示すように、ＦＥＴブリッジ回路１０２は４つのＭＯＳＦＥＴ１２８，１３０，１３２，１３４をブリッジ型に接続して構成され、充電時にはＭＯＳＦＥＴ１２８，１３０，１３２，１３４の寄生ダイオード分を利用した整流回路として作用する。また、ＦＥＴブリッジ回路１０２は、放電時にはインバータとして作用し、低周波インバータ制御回路１３６を用いてＭＯＳＦＥＴ１２８，１３０，１３２，１３４それぞれのゲート電圧を制御することで、直流交流変換を可能とする。スイッチング素子１０４は、ＭＯＳＦＥＴ１４０を備えて構成され、充電制御回路１４２を用いてＭＯＳＦＥＴ１４０のゲート電圧を制御することでスイッチング動作を可能とする。平滑化回路１１０はコイル１４４及びコンデンサ１４６とからなる。また、スイッチング素子１１６は、ＭＯＳＦＥＴ１４８を備えて構成され、昇圧制御回路１５０を用いてＭＯＳＦＥＴ１４８のゲート電圧を制御することでスイッチング動作を可能とする。
【０００４】
かかる無停電電源装置１００の動作は以下の通りである。すなわち、通電時に入力された入力電源（例えば１００Ｖ商用交流電圧）はＦＥＴブリッジ回路１０２によって整流され、コンデンサ１２６によって平滑化される。ＦＥＴブリッジ回路１０２から出力され、平滑化された電源は、スイッチング素子１０４によりピーク電流値を制御され、降圧トランス１０６の２次側に入力される。入力電圧は、降圧トランス１０６の作用によってその巻数比に応じて降圧され、降圧トランス１０６の２次側から出力される。降圧トランス１０６の１次側から出力された電圧は、整流ダイオード１０８、平滑化回路１１０によって、整流、平滑化され、バッテリ１１２を所定の充電電圧（例えば直流１２Ｖ）に充電する。
【０００５】
一方、停電時は、バッテリ１１２から出力された電圧が平滑化回路１１０によって平滑化されるとともに、スイッチング素子１１６によってピーク値を制御された電流が昇圧トランス１１８に入力される。バッテリ１１２の電圧は、昇圧トランス１１８の作用によってその巻数比に応じて昇圧され、昇圧トランス１１８の２次側から出力される。昇圧トランス１１８の２次側から出力された電圧は整流ダイオード１２０によって整流され、平滑化コイル１２４、平滑化コンデンサ１２６、フライホイールダイオード１２２によって平滑される。平滑された電圧はＥＦＴブリッジ回路１０２により直流交流変換され、周波数及び実効値が入力電圧とほぼ等しい疑似交流として出力される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術にかかる無停電電源装置１００は、入力電圧と充電電圧間相互の電圧変換を行うべく、降圧トランス１０６と昇圧トランス１１８との２つのトランスを備えているため、装置が複雑化、大型化し、製造コストも大きくなるという問題点を有する。
【０００７】
ここで、単一のトランスを昇降圧用に用いることなく、降圧トランス１０６と昇圧トランス１１８との２つのトランスを備えている理由は以下の通りである。すなわち、トランスの巻線比は昇圧を基準に決められているため、例えば、バッテリ１１２の充電電圧を１２Ｖ、入力電圧、すなわち停電時に出力する電圧を１４１Ｖ（１００Ｖ商用交流電圧のピーク値）とすると、昇圧トランス１１８の巻線比を１：１２とすることが必要とされる。これに対して、バッテリ１１２をその充電電圧（１２Ｖ）に充電するためには、充電電圧以上の電圧（１７Ｖ以上）が必要とされる。従って、巻線比が１：１２の昇圧トランス１１８を降圧用として用いても、バッテリ１１２の充電に必要な電圧を得ることができず、バッテリ１１２を十分充電することができない。ここで、昇圧時と降圧時とで巻線比を切り替えるトランスを用いることも考えられるが、装置が複雑化、大型化し、製造コストも大きくなるという問題点を有することは、トランスを２つ備える場合と同様である。
【０００８】
そこで、本発明は、簡易な構成で小型化が可能な無停電電源装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の無停電電源装置は、入力電圧を降圧してバッテリを充電するとともに、該バッテリに充電された充電電圧を入力電圧に昇圧して出力する無停電電源装置であって、入力電圧を所定電圧に昇圧する昇圧回路と、昇圧回路により昇圧された所定電圧をバッテリの充電に必要な電圧に降圧するとともに、バッテリに充電された充電電圧を入力電圧の形成に必要な電圧に昇圧する昇降圧トランスとを備えたことを特徴としている。
【００１０】
昇圧回路により入力電圧を所定電圧に昇圧してトランスに入力することで、昇圧を基準に巻線比を決定したトランスを用いてバッテリの充電に必要な電圧を得ることができる。従って、トランスを昇圧用、降圧用に分けることなく、一つの昇降圧トランスを用いるのみで無停電電源装置を実現することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の無停電電源装置においては、昇圧回路は、入力電圧を昇圧する昇圧コイルと、昇圧コイルから昇降圧トランスに流入する電流を制御する電流制御回路とを備えたことを特徴としてもよい。
【００１２】
昇圧コイルと電流制御回路を用いることで、昇圧回路を簡易に構成することができる。
【００１３】
また、本発明の無停電電源装置においては、電流制御回路は、ＭＯＳＦＥＴを備えて構成され、ＭＯＳＦＥＴを用いて電流のスイッチング動作を行うことを特徴としてもよい。
【００１４】
ＭＯＳＦＥＴを用いることで、精度の高いスイッチング動作が可能になる。また、充電時の降圧、放電時の昇圧の際に、ＭＯＳＦＥＴに含まれる寄生ダイオード分をフライホイールダイオードとして利用することが可能となり、部品点数を削減できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る無停電電源装置について、図面を参照して説明する。まず、本実施形態に係る無停電電源装置の構成について説明する。図１は本実施形態に係る無停電電源装置のブロック図であり、図２は本実施形態にかかる無停電電源装置の回路図である。
【００１６】
本実施形態にかかる無停電電源装置１０は、入力電圧を降圧してバッテリを充電するとともに、当該バッテリに充電された充電電圧を上記入力電圧に昇圧して出力する無停電電源装置であって、図１に示すように、ＦＥＴブリッジ回路１２，コイル１４、ＭＯＳＦＥＴ１６、フライホイールダイオード１８、昇降圧トランス２０、ＭＯＳＦＥＴ２２、平滑化回路２４、バッテリ２６及び整流ダイオード２８を備えて構成される。以下、図２に示す回路図をもちいて詳細に説明する。
【００１７】
ＦＥＴブリッジ回路１２は、４つのＭＯＳＦＥＴ３０，３２，３４，３６をブリッジ型に接続して構成される。より詳細には、ＭＯＳＦＥＴ３０のドレインとＭＯＳＦＥＴ３４のドレイン、ＭＯＳＦＥＴ３０のソースとＭＯＳＦＥＴ３２のドレイン、ＭＯＳＦＥＴ３４のソースとＭＯＳＦＥＴ３６のドレイン、ＭＯＳＦＥＴ３２のソースとＭＯＳＦＥＴ３６のソースがそれぞれ接続されており、ＭＯＳＦＥＴ３２のソースとＭＯＳＦＥＴ３６のソースは接地されている。また、ＭＯＳＦＥＴ３０のソースとＭＯＳＦＥＴ３４のソースとの間には、スイッチ３８を介して外部からの電圧入力（１００Ｖ商用交流電圧）が可能となっており、また、外部への電圧出力が可能となっている。
【００１８】
ブリッジ型に接続されたＭＯＳＦＥＴ３０，３２，３４，３６は、それぞれ寄生ダイオード分を有しているため、ＦＥＴブリッジ回路１２は、入力された交流電圧を整流する整流回路として作用する。また、ＭＯＳＦＥＴ３０，３２，３４，３６のゲート電圧は、低周波インバータ制御回路４０により制御可能となっており、ＦＥＴブリッジ回路１２は直流交流変換を行うインバータとしても作用する。
【００１９】
ＦＥＴブリッジ回路１２の後段には、当該ＦＥＴブリッジ回路１２と並列に接続されたコンデンサ４２が設けられている。ＦＥＴブリッジ回路１２によって整流された電圧は、コンデンサ４２によって平滑化される。
【００２０】
コンデンサ４２の後段には、昇降圧トランス２０が設けられており、コンデンサ４２の＋側と昇降圧トランス２０の２次側（ＦＥＴブリッジ回路１２側。以下同じ）の一端とは、コイル１４を介して接続されており、ＭＯＳＦＥＴ３０のドレインと昇降圧トランス２０の２次側の他端はフライホイールダイオード１８を介して接続されている。コイル１４は、充電時にはＦＥＴブリッジ回路１２に入力された入力電圧を昇圧して昇降圧トランス２０の２次側に入力するための昇圧コイルとして作用し、放電時には昇降圧トランス２０から出力される電圧を平滑化する平滑化コイルとして作用する。また、昇降圧トランス２０の巻線比は、入力電圧を１４１Ｖ（１００Ｖ商用交流電圧のピーク値）、バッテリの充電電圧を１２Ｖとして、１：１２としてある。
【００２１】
昇降圧トランス２０の２次側の上記一端には、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ１６が接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１６のゲート電圧は、充電制御回路４４によって制御可能となっている。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１６と充電制御回路４４とはコイル１４と合わせて電流制御回路を構成し、ＭＯＳＦＥＴ１６のスイッチング動作により、コイル１４から昇降圧トランス２０の２次側に供給される電流のピーク値が制御される。より詳細には、充電制御回路４４は、充電電流検出用に設けられた抵抗４６の両端にかかる電圧値に基づいて、上記電流を制御する。また、ＭＯＳＦＥＴ１６は寄生ダイオード分を有しており、かかる寄生ダイオード分は、放電時にフライホイールダイオードとして作用する。
【００２２】
昇降圧トランス２０の２次側の上記他端と接地電位との間には、整流ダイオード２８が接続されている。整流ダイオード２８は、放電時に昇降圧トランス２０によって昇圧された電圧を整流する。
【００２３】
昇降圧トランス２０の１次側（バッテリ２６側。以下同じ。）の一端は、コンデンサ４８とコイル５０とからなる平滑化回路２４を介してバッテリ２６（のプラス端子）に接続されている。また、昇降圧トランス２０の１次側の他端には、ＭＯＳＦＥＴ２２（のドレイン）が接続されている。ＭＯＳＦＥＴ２２が有する寄生ダイオード分は整流ダイオードとして作用し、昇降圧トランス２０の１次側から出力される電圧は、当該寄生ダイオード分によって整流され、平滑化回路２４によって平滑化された後、バッテリ２６に充電される。また、放電電流検出用の抵抗５２の両端にかかる電圧に基づき、昇圧制御回路５４によってＭＯＳＦＥＴ２２のデューティ比を変化させることにより、放電時に昇降圧トランス２０の１次側に供給される電流のピーク値を制御することができる。
【００２４】
続いて、本実施形態にかかる無停電電源装置の動作について説明する。まず、充電時の動作について説明する。図３は、各点における充電時の電圧、電流波形を示す図である。
【００２５】
充電時（通電時）は、ＭＯＳＦＥＴ３０のソースとＭＯＳＦＥＴ３４のソースとの間（図２中Ａ）に図３（１）に示すような１００Ｖ商用交流電圧が印加される。かかる入力電圧は、ＦＥＴブリッジ回路１２によって整流され、コンデンサ４２によって平滑化される。従って、図２中のＢの電位は図３（２）に示すようになり、また、図２中のＣを流れる電流は、図３（３）に示すようになる。
【００２６】
コンデンサ４２によって平滑化された電圧は、コイル１４によって昇圧され、昇降圧トランス２０の２次側に入力される。その際、図３（４）に示すような電圧がＭＯＳＦＥＴ１６のゲートを制御し、図３（５）に示すような電流波形（図２中Ｅ）がＭＯＳＦＥＴ１６とコイル１４に流れる。昇降圧トランス２０の２次側に入力される電圧（図２中Ｆ）、電流（図２中Ｇ）は、それぞれ図３（６）、図３（７）に示すようになる。ここで、無停電電源装置１０においては、入力電圧をコイル１４によって２１０Ｖ（所定電圧）まで昇圧し、その後昇降圧トランス２０の２次側に入力している。従って、昇降圧トランス２０の２次側に入力される電圧（図３（６））は、ピーク値で約２１０Ｖとなっている。
【００２７】
昇降圧トランス２０の巻線比によって降圧され１次側から出力された電圧は、ＭＯＳＦＥＴ２２の寄生ダイオード分によって整流され、平滑化回路２４によって平滑化された後、バッテリ２６に充電される。図３（８）は、平滑化回路２４から出力された後（図２中Ｈ）の電圧波形であるが、かかる電圧は、充電電圧１２Ｖのバッテリを充電するために十分な１７Ｖ以上の電圧となっている。
【００２８】
続いて、放電時（停電時）の動作について説明する。図４は、各点における放電時の電圧、電流波形を示す図である。まず、図２中Ｈの電圧は、図４（１）に示すように、バッテリ２６の充電電圧である直流１２Ｖである。バッテリ２６から出力される電流は、ＭＯＳＦＥＴ２２により制御され、平滑化回路２４により平滑化されて昇降圧トランス２０の１次側に入力される。この際、ＭＯＳＦＥＴ２２のドレインの電位は図４（２）に示すようになる。ここで、当該ドレインの電位のピーク値は、充電電圧のほぼ２倍の２４Ｖとなる。
【００２９】
バッテリ２６の充電電圧は、昇降圧トランス２０によって昇圧され、昇降圧トランス２０の２次側から出力される。昇降圧トランス２０の２次側から出力される電圧、電流はそれぞれ、図４（３）、（４）に示すような波形となる。ここで、昇降圧トランス２０の巻線比が１：１２であることから、昇降圧トランス２０の２次側から出力される電圧のピーク値は、入力電圧である１００Ｖ商用交流電圧の形成に必要な１４１Ｖとなる。
【００３０】
昇降圧トランス２０の２次側から出力された電圧は、整流ダイオード２８によって整流され、コイル１４、コンデンサ４２によって平滑化される。その際、ＭＯＳＦＥＴ１６の寄生ダイオード分は、フライホイールダイオードとして作用する。その結果、図２中Ｂの電位及びＣの電流は、それぞれ図４（５）、図４（６）に示すようになる。その後、低周波インバータ制御回路４０を用いて、ＭＯＳＦＥＴ３０，３２，３４，３６のゲート電圧を制御することにより、図４（７）の電圧波形、図４（８）の電流波形に示すような、１００Ｖ商用交流電圧、電流波形に類似する疑似交流電圧、電流を出力することが可能となる。
【００３１】
続いて、本実施形態にかかる無停電電源装置の効果について説明する。本実施形態にかかる無停電電源装置１０は、昇圧コイル１４により１４１Ｖ（ピーク値）の入力電圧を２１０Ｖまで一旦昇圧して昇降圧トランス２０に入力する。従って、昇圧を基準に巻線比を１：１２に決定した昇降圧トランス２０を用いてバッテリ２６の充電に必要な電圧である１７Ｖを得ることができる。すなわち、トランスを昇圧用、降圧用に分けることなく、一つの昇降圧トランス２０を用いるのみで無停電電源装置を実現することが可能となる。その結果、無停電電源装置１０を簡易な構成で製造することができるとともに、無停電電源装置１０を小型化することが可能となる。
【００３２】
また、本実施形態にかかる無停電電源装置１０においては、コイル１４とＭＯＳＦＥＴ１６というシンプルな素子を用いて入力電圧の昇圧を実現することで、無停電電源装置１０の一層の小型化に寄与している。さらに、放電時に平滑化コイルとして用いられるコイル１４を昇圧用にも用いることで、部品点数が増加することもない。
【００３３】
また、本実施形態にかかる無停電電源装置１０においては、バッテリ２６の充電のために入力電圧を一旦昇圧して昇降圧トランス２０に入力するために、コイル１４とＭＯＳＦＥＴ１６を用いているが、ＭＯＳＦＥＴ１６の寄生ダイオード分を（バッテリ２６からの放電時による）昇圧時のフライホイールダイオードとしても利用している。従って、上記コイル１４を放電時の平滑用と充電時の昇圧用とに共用することとも相まって、部品点数の増加が生じない。その結果、極めて簡易な構成の無停電電源装置１０が実現する。また、昇圧時の電流制御にＭＯＳＦＥＴ１６を用いることで、極めて高精度な制御が実現する。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の無停電電源装置は、昇圧回路により入力電圧を所定電圧に昇圧してトランスに入力することで、昇圧を基準に巻線比を決定したトランスを用いてバッテリの充電に必要な電圧を得ることができる。従って、トランスを昇圧用、降圧用に分けることなく、一つの昇降圧トランスを用いるのみで無停電電源装置を実現することが可能となる。その結果、無停電電源装置を簡易な構成かつ小型にすることが可能となる。
【００３５】
また、本発明の無停電電源装置においては、昇圧コイルと電流制御回路を用いて昇圧回路を構成することで、昇圧回路の構成を簡易なものとすることができる。
【００３６】
さらに、本発明の無停電電源装置においては、ＭＯＳＦＥＴを用いて電流制御回路を構成することで、精度の高いスイッチング動作を可能にするとともに、ＭＯＳＦＥＴに含まれる寄生ダイオード分を整流ダイオード及びフライホイールダイオードとして利用することが可能となり、部品点数を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無停電電源装置のブロック図である。
【図２】無停電電源装置の回路図である。
【図３】充電時の電圧、電流波形を示す図である。
【図４】放電時の電圧、電流波形を示す図である。
【図５】無停電電源装置のブロック図である。
【図６】無停電電源装置の回路図である。
【符号の説明】
１０…無停電電源装置、１２…ＦＥＴブリッジ回路、１４…コイル、１６，２２…ＭＯＳＦＥＴ、１８…フライホイールダイオード、２０…昇降圧トランス、２４…平滑化回路、２６…バッテリ、２８…整流ダイオード
【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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