JP4191874B2 - 無停電電源装置 - Google Patents
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Description
【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、スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ１４０、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、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ１４８、昇圧トランス１１８、フライホイールダイオード１２０、整流ダイオード１２２及び平滑化コイル１２４を備えて構成される。また、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。ＭＯＳＦＥＴ１４０は、充電制御回路１４２を用いてそ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、ＭＯＳＦＥＴ１４８は、昇圧制御回路１５０を用いてそ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１２２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１２０によって平滑される。平滑された電圧はＦＥＴブリッジ回路１０２により直流交流変換され、周波数が入力電源と同じで、規定電圧（例えば１００Ｖ）の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、昇圧及び降圧の夫々に対して制御回路を必要とするため、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圧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、無停電電源装置１００として扱う電力の関係から昇圧及び降圧はフォワードモードが前提となり、トランスの巻線比も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】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、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】
本発明に係る無停電電源装置は、交流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直流充電電圧を交流入力電圧に昇圧及び変換して出力する無停電電源装置において、交流入力電圧を所定の直流電圧に変換する整流回路と、整流回路により変換された所定の直流電圧をバッテリの充電に必要な直流電圧に降圧するとともに、バッテリに充電された直流充電電圧を交流入力電圧の形成に必要な電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は昇降圧トランスを有しており、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフォワードモードにて動作させることにより直流充電電圧を昇圧し、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフライバックモードにて動作させることにより所定の直流電圧を降圧することを特徴としている。
【００１０】
本発明に係る無停電電源装置では、交流入力電圧を所定の直流電圧に変換する整流回路と、整流回路により変換された所定の直流電圧をバッテリの充電に必要な直流電圧に降圧するとともに、バッテリに充電された直流充電電圧を交流入力電圧の形成に必要な電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路が昇降圧トランスを有し、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフォワードモードにて動作させることにより直流充電電圧を昇圧し、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフライバックモードにて動作させることにより所定の直流電圧を降圧するので、昇圧を基準にしたトランスであっても通電時にＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフライバックモードにて動作させることによりバッテリーの充電電圧の不足が抑制され、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できる。
【００１１】
また、昇降圧トランスは、複数に分割された１次側巻線と１次側巻線と同数に分割された２次側巻線とを有し、１次側巻線及び２次側巻線の分割された夫々の巻線に対して、スイッチング素子が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、停電の発生状態に基づいて各スイッチング素子の動作を制御する昇圧降圧制御回路を更に有していることが好ましい。このように構成した場合、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフォワードモードにて動作させ、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフライバックモードにて動作させ得る構成を簡易且つ低コストで実現することができる。また、１つの昇圧降圧制御回路によりＤＣ／ＤＣコンバータ回路における昇圧及び降圧動作を制御することができ、比較的高価な制御回路の数を減らすことができ、昇圧降圧制御回路の実装スペース及びコストの低減が可能となる。
【００１２】
また、各スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴが用いられており、昇圧降圧制御回路は、１次側巻線に接続されるスイッチング素子と２次側巻線に接続されるスイッチング素子とを同時にオンさせるように各スイッチング素子の動作を制御することが好ましい。このように、各スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴが用いられ、昇圧降圧制御回路が、１次側巻線に接続されるスイッチング素子と２次側巻線に接続されるスイッチング素子とを同時にオンさせるように各スイッチング素子の動作を制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の昇圧動作時に、ＭＯＳＦＥＴが用いられたスイッチング素子の内部ダイオードにおいて整流動作が行われるのを抑制して、昇圧整流時の損失を低減することができ、ＭＯＳＦＥＴの発熱を抑制することができると共に、バッテリからの電力を効率よく利用することができる。
【００１３】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、２次側巻線に接続されるスイッチング素子を整流回路から切り離すためのスイッチング素子を更に有していることが好ましい。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路が、２次側巻線に接続されるスイッチング素子を整流回路から切り離すためのスイッチング素子を更に有することにより、バッテリを充電するときに電力が整流回路に返還されるのを抑制し、バッテリの充電を効率よく行うことができる。
【００１４】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、昇圧降圧制御回路からの信号に基づいて、２次側巻線に接続されるスイッチング素子を整流回路と切り離すためのスイッチング素子を動作させるためのフォトカプラを更に有し、昇降圧トランスは、２次側巻線に接続されるスイッチング素子を整流回路と切り離すためのスイッチング素子に電圧を出力するための巻線を更に有していることが好ましい。このように構成した場合、２次側巻線に接続されるスイッチング素子を整流回路と切り離すためのスイッチング素子を動作させ得る構成を簡易且つ低コストで実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による無停電電源装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【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２０を充電するとともに、当該バッテリ２０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、バッテリ２０、整流回路３０、ＡＣインバータ回路４０、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０等を備えて構成される。図１は、本発明の実施形態に係る無停電電源装置を示すブロック図である。
【００１７】
整流回路３０は、ダイオードブリッジ及びコンデンサ等を有し、入力端子（ＡＣプラグ）１１を介して外部電源（１００Ｖ商用交流電源）が接続されており、外部電源からの交流入力電圧（１００Ｖ交流電圧）を所定の直流電圧（１４０Ｖ直流電圧）に変換する。ＡＣインバータ回路４０は、基準発振器、制御素子（ＭＯＳＦＥＴ）、コイル及びコンデンサ等を有した既知の回路であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０にて昇圧された直流電圧（１４０Ｖ直流電圧）を外部電源と同じ交流電圧（１００Ｖ交流電圧）に変換する。
【００１８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、整流回路３０により変換された所定の直流電圧をバッテリ２０の充電に必要な直流電圧（１７Ｖ〜４２Ｖ直流電圧）に降圧するとともに、バッテリ２０に充電された直流充電電圧（１２Ｖ〜３６Ｖ直流電圧）を交流入力電圧の形成に必要な直流電圧に昇圧する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０の構成については、後に説明する。
【００１９】
上述した構成の無停電電源装置１０は、以下のように動作する。商用電源の停電時には、バッテリ２０に充電された直流充電電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０に入力されて、交流入力電圧の形成に必要な直流電圧に昇圧される。昇圧された直流電圧はＡＣインバータ回路４０に入力され、商用電源と同じ交流電圧に変換される。変換された交流電圧は、無停電電源装置１０に設けられた出力端子（タップ）１２を介して各種負荷に出力される。
【００２０】
一方、商用電源の通電時には、ＡＣコンセントに接続された入力端子１１を介して交流入力電圧が整流回路３０に入力される。入力された交流入力電圧は、整流回路３０のダイオードブリッジ等にて整流され、また、整流回路３０のコンデンサによって平滑されて、所定の直流電圧として出力される。出力された所定の直流電圧はＡＣインバータ回路４０に入力されて商用電源と同じ交流電圧に変換され、変換された交流電圧は出力端子１２を介して各種負荷に出力される。また、整流回路３０から出力された所定の直流電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０に入力されて、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０にてバッテリ２０の充電に必要な直流電圧に降圧されて、降圧された直流電圧はバッテリ２０に出力される。バッテリ２０に出力された直流電圧により、バッテリ２０が所定の電圧まで充電される。
【００２１】
次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０の構成について、図２に基づいて詳細に説明する。図２は、本発明の実施形態に係る無停電電源装置に含まれる、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を示す回路図である。
【００２２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、バッテリ用入出力端子５１と、直流高電圧入力端子５２と、昇圧降圧回路６０とを有している。バッテリ用入出力端子５１は、停電時にバッテリ２０からの直流充電電圧を入力すると共に、通電時にバッテリ２０に直流電圧を出力するためのものである。直流高電圧入力端子５２は、通電時に整流回路３０から所定の直流電圧を入力すると共に、停電時に交流入力電圧の形成に必要な直流電圧を出力するためのものである。なお、バッテリ用入出力端子５１は必ずしも設ける必要はなく、バッテリ２０をＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０（昇圧降圧回路６０）に直接接続するように構成してもよい。
【００２３】
昇圧降圧回路６０は、昇降圧トランス６１、スイッチング素子としての第１ＭＯＳＦＥＴ７１、第２ＭＯＳＦＥＴ７２、第３ＭＯＳＦＥＴ７３、第４ＭＯＳＦＥＴ７４、第５ＭＯＳＦＥＴ７５、フォトカプラ８１、及び、昇圧降圧制御回路９１等を有している。昇降圧トランス６１は、バッテリ２０側に接続される１次側巻線６２と、整流回路３０（ＡＣインバータ回路４０）側に接続される２次側巻線６３とを有している。１次側巻線６２と２次側巻線６３の巻線比は、１：１１に設定されている。
【００２４】
１次側巻線６２は、複数に分割（本実施形態においては、２分割）されており、第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとを含んでいる。第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとの中点（中央タップ）は、バッテリ用入出力端子５１に接続されている。これにより、バッテリ２０の陽極は第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとの中点に接続される。２次側巻線６３は、１次側巻線６２と同数に分割（２分割）されており、第１の２次側巻線６３Ａと第２の２次側巻線６３Ｂとを含んでいる。第１の２次側巻線６３Ａと第２の２次側巻線６３Ｂとの中点（中央タップ）は、２次側電源出力のコモンラインとして直流高電圧入力端子５２に接続されている。コンデンサ５３は、第３ＭＯＳＦＥＴ７３（のソース）と第４ＭＯＳＦＥＴ７４（のソース）が接続されるアースと、第１の２次側巻線６３Ａと第２の２次側巻線６３Ｂとの中点とに接続されている。
【００２５】
第１ＭＯＳＦＥＴ７１（のドレイン）は第１の１次側巻線６２Ａの端部に接続されている。第１ＭＯＳＦＥＴ７１のソースは接地されている。また、第１ＭＯＳＦＥＴ７１のゲート電圧は、昇圧降圧制御回路９１によって制御可能となっている。これらの構成により、第１ＭＯＳＦＥＴ７１のスイッチング動作により、第１の１次側巻線６２Ａの通電がオン／オフ制御されることになる。
【００２６】
第２ＭＯＳＦＥＴ７２（のドレイン）は第２の１次側巻線６２Ｂの端部に接続されている。第２ＭＯＳＦＥＴ７２のソースは接地されている。また、第２ＭＯＳＦＥＴ７２のゲート電圧は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１と同様に、昇圧降圧制御回路９１によって制御可能となっている。これらの構成により、第２ＭＯＳＦＥＴ７２のスイッチング動作により、第２の１次側巻線６２Ｂの通電がオン／オフ制御されることになる。
【００２７】
第３ＭＯＳＦＥＴ７３（のドレイン）は第１の２次側巻線６３Ａの端部に接続されている。第３ＭＯＳＦＥＴ７３のソースは接地されている。また、第３ＭＯＳＦＥＴ７３のゲート電圧は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第２ＭＯＳＦＥＴ７２と同様に、昇圧降圧制御回路９１によって制御可能となっている。これらの構成により、第３ＭＯＳＦＥＴ７３のスイッチング動作により、第１の２次側巻線６３Ａの通電がオン／オフ制御されることになる。
【００２８】
第４ＭＯＳＦＥＴ７４（のドレイン）は、第５ＭＯＳＦＥＴ７５を経由して、第２の２次側巻線６３Ｂの端部に接続されている。第４ＭＯＳＦＥＴ７４のソースは接地されている。また、第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲート電圧は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第３ＭＯＳＦＥＴ７３と同様に、昇圧降圧制御回路９１によって制御可能となっている。これらの構成により、第４ＭＯＳＦＥＴ７４のスイッチング動作により、第２の２次側巻線６３Ｂの通電がオン／オフ制御されることになる。
【００２９】
第５ＭＯＳＦＥＴ７５は、第２の２次側巻線６３Ｂの端部と第４ＭＯＳＦＥＴ７４との間に設けられる。第５ＭＯＳＦＥＴ７５のドレインは第４ＭＯＳＦＥＴ７４のドレインに接続されており、第５ＭＯＳＦＥＴ７５のソースは第２の２次側巻線６３Ｂの端部に接続されている。第５ＭＯＳＦＥＴ７５は、第４ＭＯＳＦＥＴ７４を整流回路３０から切り離すスイッチング素子として作用する。
【００３０】
フォトカプラ８１は、第５ＭＯＳＦＥＴ７５のゲート電圧を制御するためのもので、昇降圧トランス６１の第３の巻線６４に接続されている。フォトカプラ８１には、主制御部（図示せず）に含まれる停電検出回路９２からの出力が接続されており、停電検出回路９２から出力される出力信号に基づいて、第３の巻線６４から出力される電圧を第５ＭＯＳＦＥＴ７５のゲートに出力するか否かを制御する。停電検出回路９２は、商用電源に停電が発生した否かを検出するもので、商用電源に停電が発生した場合には、フォトカプラ８１及び昇圧降圧制御回路９１に停電信号を出力する。フォトカプラ８１は、停電信号が入力された場合にはオンとなり、停電信号が入力されない場合にはオフとなる。
【００３１】
フォトカプラ８１がオンの場合には、第３の巻線６４から出力される電圧が第５ＭＯＳＦＥＴ７５のゲートに出力され、第５ＭＯＳＦＥＴ７５は、第４ＭＯＳＦＥＴ７４を整流回路３０に接続するように作動する。一方、フォトカプラ８１がオフの場合には、第３の巻線６４から出力される電圧が第５ＭＯＳＦＥＴ７５のゲートに出力されずに、第５ＭＯＳＦＥＴ７５は、第４ＭＯＳＦＥＴ７４を整流回路３０から切り離すように作動する。第３の巻線６４の一方の端部には、整流用のダイオード５４が直列に接続されており、また、第３の巻線６４の両端部には、平滑化用のコンデンサ５５が並列に接続されている。
【００３２】
昇圧降圧制御回路９１は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４の動作を直接的にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御するためのものである。昇圧降圧制御回路９１の出力は、図２に示されるように、複数の出力を有しており、昇圧降圧制御回路９１の出力の一方は、同時にオン／オフさせるために、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３のゲート同士を接続した部分に接続されている。昇圧降圧制御回路９１の出力の他方は、同時にオン／オフさせるために、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲート同士を接続した部分に接続されている。また、昇圧降圧制御回路９１には、上述した停電検出回路９２の出力が接続されている。更に、降圧（充電）時、昇圧降圧制御回路９１は昇降圧トランス６１の１次側電圧を監視している（図示せず）。
【００３３】
昇圧降圧制御回路９１は、停電検出回路９２から出力される停電信号を検出しており、図３に示される昇圧降圧制御処理動作を行う。
【００３４】
まず、Ｓ１０１において、昇圧降圧制御回路９１は、停電検出回路９２からの停電信号に基づいて、商用電源に停電が発生したか否かを判断する。停電検出回路９２から停電信号が出力された、すなわち商用電源に停電が発生した状態である場合には（Ｓ１０１で「Ｙｅｓ」）、Ｓ１０３に進む。停電検出回路９２から停電信号が出力されず、すなわち商用電源に停電が発生していない通電状態である場合には（Ｓ１０１で「Ｎｏ」）、後述するＳ１０５に進む。
【００３５】
停電が発生して昇圧降圧制御回路９１に停電信号が入力されると、Ｓ１０３に示すように、昇圧動作処理が開始される。ここでは、昇圧降圧制御回路９１は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４が昇圧のためのスイッチング動作を行うように第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４にＰＷＭ制御パルス信号を出力する。このＰＷＭ制御パルス信号の出力により、第１ＭＯＳＦＥＴ７１と第３ＭＯＳＦＥＴ７３との組合せと、第２ＭＯＳＦＥＴ７２と第４ＭＯＳＦＥＴ７４との組合せとで、交互にオン／オフ（プッシュプル動作）することになる。
【００３６】
昇圧降圧制御回路９１に停電信号が入力されておらず、通電時には、Ｓ１０５に示すように、降圧動作処理が開始される。ここでは、昇圧降圧制御回路９１は、フライバックエネルギーが第２の２次側巻線６３Ｂを通して２次側に戻らないようにするために、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲート信号をオフし、第２の２次側巻線６３Ｂを回路から切り離す。また、昇圧降圧制御回路９１は、バッテリ２０の充電のために第３ＭＯＳＦＥＴ７３にＰＷＭ制御パルス信号（例えば２５〜３０ｋＨｚ、デューティ比２５％）を出力する。
【００３７】
続く、Ｓ１０７では、昇降圧トランス６１の１次側に接続されているバッテリ２０の電圧の値を読み、Ｓ１０９にて、バッテリ２０の充電が必要か否かを判断する。バッテリ２０の充電が必要である場合には（Ｓ１０９で「Ｙｅｓ」）、後述するＳ１１１に進む。バッテリ２０の充電が必要でない場合には（Ｓ１０９で「Ｎｏ」）、Ｓ１０１にリターンする。バッテリ２０の充電が必要か否かは、バッテリ２０の電圧を監視することにより判断される。
【００３８】
Ｓ１１１では、昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値と一致するか否かが判断される。昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値と一致した場合には（Ｓ１１１で「Ｙｅｓ」）、前述したＳ１０７にリターンする。昇降圧トランス６１の２次側電圧の値が所定の基準電圧値と一致しない場合には（Ｓ１１１で「Ｎｏ」）、Ｓ１１３に進む。
【００３９】
Ｓ１１３では、昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値より高いか否かが判断される。昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値より高い場合には（Ｓ１１３で「Ｙｅｓ」）、Ｓ１１５に進む。Ｓ１１５に進むと、昇圧降圧制御回路９１は、第１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３の駆動デューティ比を上述した所定の基準デューティ比からデューティ比が小さくなる（オン時間が短くなる）ように変更して制御信号を出力する。一方、昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値より高くない、すなわち昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値より低い場合には（Ｓ１１３で「Ｎｏ」）、Ｓ１１７に進み、昇圧降圧制御回路９１は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３の駆動デューティ比を上述した所定の基準デューティ比からデューティ比が大きくなる（オン時間が長くなる）ように変更して制御信号を出力する。これにより、駆動デューティ比は、昇降圧トランス６１の１次側電圧の値に応じて、５０％以下の５％〜４５％の範囲で変化することになる。なお、バッテリ２０の充電中に停電が発生した場合には、図示しない割り込み処理により、Ｓ１０３にて示される昇圧動作処理が開始されることになる。
【００４０】
つぎに、上述した構成のＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０の昇圧及び降圧動作について説明する。
【００４１】
まずは、停電時の昇圧動作について詳細に説明する。停電時には、停電検出回路９２からの停電信号により、フォトカプラ８１がオンして第５ＭＯＳＦＥＴ７５がオンする。なお、停電時には、第５ＭＯＳＦＥＴ７５は常時オンとなる。同じく、昇圧降圧制御回路９１は、停電検出回路からの停電信号により、第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４に昇圧のためのＰＷＭ制御パルス信号を出力する。このスイッチング動作は、休止時間がほとんど無いプッシュプル動作であって、スイッチング周波数は、８０ｋＨｚ程度とされている。昇圧降圧制御回路９１からの制御信号により、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３とが同時にオン／オフし、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４とが同時にオン／オフする。また、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３と、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４とは、交互にオン／オフすることになる。
【００４２】
第１ＭＯＳＦＥＴ７１がオンすると、昇降圧トランス６１の第１の１次側巻線６２Ａにバッテリ２０の直流充電電圧が印加される。第１の１次側巻線６２Ａにバッテリ２０の直流充電電圧が印加されることにより、昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａには、第１の２次側巻線６３Ａと第２の２次側巻線６３Ｂとの中点側が正の電位となる電圧が誘起され、アースから第３ＭＯＳＦＥＴ７３を介して電流が流れ、コンデンサ５３が蓄電される。なお、第３ＭＯＳＦＥＴ７３は、その内部の寄生ダイオードによっても整流動作を行うことが可能であるが、第１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３とを同時にオンすることで、上述した寄生ダイオードではなく、内部抵抗の低い第３ＭＯＳＦＥＴ７３に電流を流し、寄生ダイオードによる整流に比して損失を１／３程度に抑えている。
【００４３】
次に、第２ＭＯＳＦＥＴ７２がオンすると、昇降圧トランス６１の第２の１次側巻線６２Ｂにバッテリ２０の直流充電電圧が印加される。第２の１次側巻線６２Ｂにバッテリ２０の直流充電電圧が印加されることにより、昇降圧トランス６１の第２の２次側巻線６３Ｂには、第１の２次側巻線６３Ａと第２の２次側巻線６３Ｂとの中点側が正の電位となる電圧が誘起され、アースから第５ＭＯＳＦＥＴ７５及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４を介して電流が流れ、コンデンサ５３が蓄電される。なお、第４ＭＯＳＦＥＴ７４は、その内部の寄生ダイオードによっても整流動作を行うことが可能であるが、第２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４とを同時にオンすることで、上述した寄生ダイオードではなく、内部抵抗の低い第４ＭＯＳＦＥＴ７４に電流を流し、寄生ダイオードによる整流に比して損失を１／３程度に抑えている。
【００４４】
第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３と、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４とが、交互にオン／オフすることにより、昇降圧トランス６１の２次側の電圧は最終的にバッテリ２０の電圧と昇降圧トランス６１の巻線比で決まる、１００Ｖ〜１４０Ｖ程度まで上昇し、ＡＣインバータ回路４０に供給される。
【００４５】
このように、昇圧動作時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇降圧トランス６１の第１の１次側巻線６２Ａの巻方向と第１の２次側巻線６３Ａの巻方向とが同方向とされ、また、昇降圧トランス６１の第２の１次側巻線６２Ｂの巻方向と第２の２次側巻線６３Ｂの巻方向とが同方向とされたフォワードモードで動作することになり、休止時間のほとんど無いプッシュプル方式でバッテリ２０の充電直流電圧が交流入力電圧の形成に必要な電圧に昇圧される。以上のことから、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇圧時においては、フォワードプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。なお、電圧安定化制御はＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０においては行われず、ＡＣインバータ回路４０にて行われる。
【００４６】
次に、通電時の降圧動作について詳細に説明する。通電（非停電）時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０には、整流回路３０により変換された所定の直流電圧（１４０Ｖ直流電圧）が入力される。また、通電時には、停電検出回路９２から停電信号が出力されず、フォトカプラ８１がオフして第５ＭＯＳＦＥＴ７５がオフする。なお、通電時には、第５ＭＯＳＦＥＴ７５は常時オフとなる。昇圧降圧制御回路９１は、停電検出回路から停電信号が出力されないことから、第２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４がオフとなるように第２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４に制御信号を出力する。同じく、昇圧降圧制御回路９１は、停電検出回路９２から停電信号が出力されないことから、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３が降圧のためのスイッチング動作を行うように第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３に制御信号を出力する。このスイッチング動作は、上述したようにデューティ比５０％以下、周波数２５ｋＨｚ程度とされている。昇圧降圧制御回路９１からの制御信号により、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３とが同時にオン／オフする。
【００４７】
第３ＭＯＳＦＥＴ７３がオンすると、整流回路からの電源供給により、昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａに電力が蓄電される。第３ＭＯＳＦＥＴ７３がオンした場合、上述したようにフォワードモードでの動作により昇降圧トランス６１の第１の１次側巻線６２Ａには、第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとの中点側が正の電位となり且つ巻線比の関係により決まる電圧が誘起される。このときに、バッテリ２０の電圧が放電直後等で誘起された電圧より低くなっていれば、電流はアースから第１ＭＯＳＦＥＴ７１、第１の１次側巻線６２Ａを通って、第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとの中点に並列に接続されているバッテリ２０に充電電流として流れてバッテリ２０が充電されることになる。バッテリ２０がある程度（１０％〜２０％）の充電量になると、誘起された電圧が昇降圧トランス６１の巻線比の関係によりバッテリ２０の充電の可能電圧に満たないため、第１の１次側巻線６２Ａには電流が流れない。これにより、第１の２次側巻線６３Ａにも電流が流れない。
【００４８】
次に、第３ＭＯＳＦＥＴ７３がオフすると、第１の２次側巻線６３Ａに蓄電された電力（フライバックエネルギー）は第２の１次側巻線６２Ｂに誘起され、第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとの中点側が正の電位となり、アースから第２ＭＯＳＦＥＴ７２（その内部の寄生ダイオード）、第２の１次側巻線６２Ｂを経由してバッテリ２０に充電電流として流れる。この時の充電は、前述したフォワード動作の時の電圧型動作と異なり、インダクタンスに蓄えられたエネルギーを電流型動作で放出することになるので、第２の１次側巻線６２Ｂに生じる電圧は、その時のバッテリ２０の電圧より高くなり、充電電圧が不足することはない。
【００４９】
第３ＭＯＳＦＥＴ７３がオンして第１の２次側巻線６３Ａに蓄電された電力は、第３ＭＯＳＦＥＴ７３がオフしたときに、第２の２次側巻線６３Ｂにも誘起（第１の２次側巻線６３Ａとの接点がプラス電位となる）され、アースから、第４ＭＯＳＦＥＴ７４、第２の２次側巻線６３Ｂを経由して、２次側の電源入力部に電力を返還してしまうことになる。しかし、第４ＭＯＳＦＥＴ７４に直列に接続された第５ＭＯＳＦＥＴ７５をオフし、第２の２次側巻線６３Ｂを切り離して、２次側の電源入力部への電力の返還を止めることができる。
【００５０】
なお、本実施形態においては、降圧時において充電電流を一定にするために、昇圧降圧制御回路９１により昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａに入力される電圧（整流回路により変換された所定の直流電圧）に応じて第３ＭＯＳＦＥＴ７３のデューティ比（オンデューティ時間）を制御している。昇圧降圧制御回路９１は、第３ＭＯＳＦＥＴ７３のデューティ比を昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａに入力される電圧の大きさに反比例させて充電電流を一定に制御しており、上述したように、５％〜４５％の範囲でデューティ比が制御される。第３ＭＯＳＦＥＴ７３のデューティ比が大きくなると充電電流が多くなる。充電電流は、昇圧降圧制御回路９１により０．１Ａ〜１０Ａの範囲で既定値に制御される。
【００５１】
このように、降圧動作時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａと、それと逆相に巻かれた第１の１次側巻線６２Ａとの間ではフォワードモードで、第１の２次側巻線６３Ａと、それと逆相に巻かれた第２の１次側巻線６２Ｂとの間ではフライバックモードで動作することになり、バッテリ２０の電圧に応じて、第１の１次側巻線６２Ａあるいは第２の１次側巻線６２Ｂから、バッテリ２０に充電電流が供給される。以上のことから、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、降圧（充電）時においては、フライバックシングル型ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。
【００５２】
上述したように、無停電電源装置１０にあっては、整流回路３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０と、を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０が昇降圧トランス６１を有し、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフォワードモードにて動作させることにより直流充電電圧を昇圧し、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフライバックモードにて動作させることにより所定の直流電圧を降圧するので、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６１を用いるのみで無停電電源装置１０を実現することができる。また、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフォワードモードにて動作させ、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフライバックモードにて動作させることにより、１つの昇降圧トランスを用いた場合のバッテリ２０の充電電圧が不足するのを抑制することができ、バッテリ２０の充電に必要な電圧を得ることができる。
【００５３】
また、昇降圧トランス６１は、第１の１次側巻線６２Ａ及び第２の１次側巻線６２Ｂと第１の２次側巻線６３Ａ及び第２の２次側巻線６３Ｂとを有し、夫々の巻線６２Ａ，６２Ｂ，６３Ａ，６３Ｂに対して、スイッチング素子としての第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、停電の発生状態に基づいて第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４の動作を制御する昇圧降圧制御回路９１を更に有しているので、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフォワードモードにて動作させ、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフライバックモードにて動作させることで、通常では昇圧及び降圧のそれぞれに対して必要とされる比較的高価な制御回路である昇圧降圧制御回路９１を１つにすることができ、実装スペース及びコストの低減が可能となる。
【００５４】
また、昇圧降圧制御回路９１は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３とが同時にオン／オフし、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４とが同時にオン／オフするように第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４の動作を制御するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０の昇圧動作時に、第３ＭＯＳＦＥＴ７３及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４の内部ダイオードにおいて整流動作が行われるのを抑制して、昇圧整流時の損失を低減することができ、第３ＭＯＳＦＥＴ７３及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４の発熱を抑制することができると共に、バッテリ２０からの電力を効率よく利用することができる。
【００５５】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、第２の２次側巻線６３Ｂに接続される第４ＭＯＳＦＥＴ７４を整流回路３０と切り離すための第５ＭＯＳＦＥＴ７５を更に有しているので、バッテリ２０を充電するときに電力が整流回路３０に返還されるのを抑制し、バッテリ２０の充電を効率よく行うことができる。
【００５６】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇圧降圧制御回路９１からの信号に基づいて、第５ＭＯＳＦＥＴ７５を動作させるためのフォトカプラ８１を更に有し、昇降圧トランス６１は、第５ＭＯＳＦＥＴ７５に電圧を出力するための第３の巻線６４を更に有しているので、第２の２次側巻線６３Ｂに接続される第４ＭＯＳＦＥＴ７４を整流回路３０と切り離すための第５ＭＯＳＦＥＴ７５を動作させ得る構成を簡易且つ低コストで実現することができる。
【００５７】
次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０の変形例について、図４に基づいて詳細に説明する。図４は、本発明の実施形態に係る無停電電源装置に含まれる、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の変形例を示す回路図である。図２に示された実施形態と、図４に示された変形例とでは、２つの高速フォトカプラ８２，８３を設けた点で相違する。
【００５８】
第１の高速フォトカプラ８２は、第３ＭＯＳＦＥＴ７３を第１ＭＯＳＦＥＴ７１と同時に動作させるためのもので、昇降圧トランス６１の第４の巻線６５に接続されている。第１の高速フォトカプラ８２には、昇圧降圧制御回路９１からの出力が接続されており、昇圧降圧制御回路９１から出力される出力信号に基づいて、第４の巻線６５から出力される電圧を第３ＭＯＳＦＥＴ７３のゲートに出力するか否かを制御する。
【００５９】
第１の高速フォトカプラ８２がオンの場合には、第４の巻線６５から出力される電圧が第３ＭＯＳＦＥＴ７３のゲートに出力され、第３ＭＯＳＦＥＴ７３はオンとなる。一方、第１の高速フォトカプラ８２がオフの場合には、第４の巻線６５から出力される電圧が第３ＭＯＳＦＥＴ７３のゲートに出力されずに、第３ＭＯＳＦＥＴ７３はオフとなる。第４の巻線６５の一方の端部には、整流用のダイオード５６が直列に接続されており、また、第４の巻線６５の両端部には、平滑化用のコンデンサ５７が並列に接続されている。
【００６０】
第２の高速フォトカプラ８３は、第４ＭＯＳＦＥＴ７４を第２ＭＯＳＦＥＴ７２と同時に動作させるためのもので、昇降圧トランス６１の第３の巻線６４に接続されている。第２の高速フォトカプラ８３には、昇圧降圧制御回路９１からの出力が接続されており、昇圧降圧制御回路９１から出力される出力信号に基づいて、第３の巻線６４から出力される電圧を第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲートに出力するか否かを制御する。
【００６１】
第２の高速フォトカプラ８３がオンの場合には、第３の巻線６４から出力される電圧が第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲートに出力され、第４ＭＯＳＦＥＴ７４はオンとなる。一方、第２の高速フォトカプラ８３がオフの場合には、第３の巻線６４から出力される電圧が第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲートに出力されずに、第４ＭＯＳＦＥＴ７４はオフとなる。
【００６２】
図４に示された変形例においても、図２に示された実施形態と同様に、昇圧動作時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇降圧トランス６１の第１の１次側巻線６２Ａの巻方向と第１の２次側巻線６３Ａの巻方向とが同方向とされ、また、昇降圧トランス６１の第２の１次側巻線６２Ｂの巻方向と第２の２次側巻線６３Ｂの巻方向とが同方向とされたフォワードモードで動作することになり、休止時間のほとんど無いプッシュプル方式でバッテリ２０の直流電圧が交流出力の形成に必要な電圧に昇圧される。
【００６３】
また、降圧動作時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａの巻方向と第１の１次側巻線６２Ａの巻方向とが逆方向とされ、また、昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａの巻方向と第２の１次側巻線６２Ｂの巻方向とが逆方向とされたフライバックモードで動作することになり、バッテリ２０の電圧に応じて第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂのどちらかからバッテリ２０に電流が供給されてバッテリ２０が充電される。
【００６４】
以上のことから、図４に示された変形例においても、図２に示された実施形態と同様の作用、効果を奏する。
【００６５】
図４に示された変形例では、２つの高速フォトカプラ８２，８３を使用することにより、第３ＭＯＳＦＥＴ７３及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４のスイッチング速度を高め、昇降圧トランス６１の駆動周波数を高めているが３０ｋＨｚ程度が上限となる。しかしながら、図２に示された実施形態では、昇圧降圧制御回路９１で第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４を直接的に駆動しているので、１００ｋＨｚ以上の駆動周波数で昇降圧トランス６１を駆動することが可能となる。したがって、図２に示された実施形態の方が、図４に示された変形例に比して、昇降圧トランス６１の小型化を容易に図ることができる。
【００６６】
なお、第４ＭＯＳＦＥＴ７４をダイオードに置き換えてＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０を構成することも可能である。しかしながら、両極の動作条件を揃えておかないと、昇降圧トランス６１をプッシュプル方式で動作させる場合に偏磁により昇降圧トランス６１が飽和する惧れがあることから、第４ＭＯＳＦＥＴ７４をダイオードに置き換えることは好ましくない。
【００６７】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、上述した数値等も適宜変更して設定することができる。また、本実施形態においては、昇降圧トランス６１に第３の巻線６４及び第４の巻線６５を設けるように構成しているが、これに限られることなく、第３の巻線６４及び第４の巻線６５を昇降圧トランス６１とは別のトランスに設けるように構成してもよい。
【００６８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、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ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る無停電電源装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る無停電電源装置に含まれる、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を示す回路図である。
【図３】本発明の実施形態に係る無停電電源装置に含まれる、昇圧降圧制御回路において実行される制御処理動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る無停電電源装置に含まれる、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の変形例を示す回路図である。
【図５】従来の無停電電源装置を示す回路図である。
【符号の説明】
１０…無停電電源装置、１１…入力端子、１２…出力端子、２０…バッテリ、３０…整流回路、４０…ＡＣインバータ回路、５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、５１…バッテリ用入出力端子、５２…直流高電圧入力端子、５３…コンデンサ、６０…昇圧降圧回路、６１…昇降圧トランス、６２…１次側巻線、６２Ａ…第１の１次側巻線、６２Ｂ…第２の１次側巻線、６３…２次側巻線、６３Ａ…第１の２次側巻線、６３Ｂ…第２の２次側巻線、６４…第３の巻線、６５…第４の巻線、７１…第１ＭＯＳＦＥＴ、７２…第２ＭＯＳＦＥＴ、７３…第３ＭＯＳＦＥＴ、７４…第４ＭＯＳＦＥＴ、７５…第５ＭＯＳＦＥＴ、８１…フォトカプラ、８２…第１の高速フォトカプラ、８３…第２の高速フォトカプラ、９１…昇圧降圧制御回路、９２…停電検出回路、１００…無停電電源装置、１０６…降圧トランス、１１８…昇圧トランス、１４２…充電制御回路、１５０…昇圧制御回路。
【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、スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ１４０、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、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ１４８、昇圧トランス１１８、フライホイールダイオード１２０、整流ダイオード１２２及び平滑化コイル１２４を備えて構成される。また、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。ＭＯＳＦＥＴ１４０は、充電制御回路１４２を用いてそ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、ＭＯＳＦＥＴ１４８は、昇圧制御回路１５０を用いてそ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１２２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１２０によって平滑される。平滑された電圧はＦＥＴブリッジ回路１０２により直流交流変換され、周波数が入力電源と同じで、規定電圧（例えば１００Ｖ）の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、昇圧及び降圧の夫々に対して制御回路を必要とするため、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圧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、無停電電源装置１００として扱う電力の関係から昇圧及び降圧はフォワードモードが前提となり、トランスの巻線比も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】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、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】
本発明に係る無停電電源装置は、交流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直流充電電圧を交流入力電圧に昇圧及び変換して出力する無停電電源装置において、交流入力電圧を所定の直流電圧に変換する整流回路と、整流回路により変換された所定の直流電圧をバッテリの充電に必要な直流電圧に降圧するとともに、バッテリに充電された直流充電電圧を交流入力電圧の形成に必要な電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は昇降圧トランスを有しており、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフォワードモードにて動作させることにより直流充電電圧を昇圧し、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフライバックモードにて動作させることにより所定の直流電圧を降圧することを特徴としている。
【００１０】
本発明に係る無停電電源装置では、交流入力電圧を所定の直流電圧に変換する整流回路と、整流回路により変換された所定の直流電圧をバッテリの充電に必要な直流電圧に降圧するとともに、バッテリに充電された直流充電電圧を交流入力電圧の形成に必要な電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路が昇降圧トランスを有し、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフォワードモードにて動作させることにより直流充電電圧を昇圧し、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフライバックモードにて動作させることにより所定の直流電圧を降圧するので、昇圧を基準にしたトランスであっても通電時にＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフライバックモードにて動作させることによりバッテリーの充電電圧の不足が抑制され、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できる。
【００１１】
また、昇降圧トランスは、複数に分割された１次側巻線と１次側巻線と同数に分割された２次側巻線とを有し、１次側巻線及び２次側巻線の分割された夫々の巻線に対して、スイッチング素子が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、停電の発生状態に基づいて各スイッチング素子の動作を制御する昇圧降圧制御回路を更に有していることが好ましい。このように構成した場合、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフォワードモードにて動作させ、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフライバックモードにて動作させ得る構成を簡易且つ低コストで実現することができる。また、１つの昇圧降圧制御回路によりＤＣ／ＤＣコンバータ回路における昇圧及び降圧動作を制御することができ、比較的高価な制御回路の数を減らすことができ、昇圧降圧制御回路の実装スペース及びコストの低減が可能となる。
【００１２】
また、各スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴが用いられており、昇圧降圧制御回路は、１次側巻線に接続されるスイッチング素子と２次側巻線に接続されるスイッチング素子とを同時にオンさせるように各スイッチング素子の動作を制御することが好ましい。このように、各スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴが用いられ、昇圧降圧制御回路が、１次側巻線に接続されるスイッチング素子と２次側巻線に接続されるスイッチング素子とを同時にオンさせるように各スイッチング素子の動作を制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の昇圧動作時に、ＭＯＳＦＥＴが用いられたスイッチング素子の内部ダイオードにおいて整流動作が行われるのを抑制して、昇圧整流時の損失を低減することができ、ＭＯＳＦＥＴの発熱を抑制することができると共に、バッテリからの電力を効率よく利用することができる。
【００１３】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、２次側巻線に接続されるスイッチング素子を整流回路から切り離すためのスイッチング素子を更に有していることが好ましい。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路が、２次側巻線に接続されるスイッチング素子を整流回路から切り離すためのスイッチング素子を更に有することにより、バッテリを充電するときに電力が整流回路に返還されるのを抑制し、バッテリの充電を効率よく行うことができる。
【００１４】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、昇圧降圧制御回路からの信号に基づいて、２次側巻線に接続されるスイッチング素子を整流回路と切り離すためのスイッチング素子を動作させるためのフォトカプラを更に有し、昇降圧トランスは、２次側巻線に接続されるスイッチング素子を整流回路と切り離すためのスイッチング素子に電圧を出力するための巻線を更に有していることが好ましい。このように構成した場合、２次側巻線に接続されるスイッチング素子を整流回路と切り離すためのスイッチング素子を動作させ得る構成を簡易且つ低コストで実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による無停電電源装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【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２０を充電するとともに、当該バッテリ２０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、バッテリ２０、整流回路３０、ＡＣインバータ回路４０、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０等を備えて構成される。図１は、本発明の実施形態に係る無停電電源装置を示すブロック図である。
【００１７】
整流回路３０は、ダイオードブリッジ及びコンデンサ等を有し、入力端子（ＡＣプラグ）１１を介して外部電源（１００Ｖ商用交流電源）が接続されており、外部電源からの交流入力電圧（１００Ｖ交流電圧）を所定の直流電圧（１４０Ｖ直流電圧）に変換する。ＡＣインバータ回路４０は、基準発振器、制御素子（ＭＯＳＦＥＴ）、コイル及びコンデンサ等を有した既知の回路であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０にて昇圧された直流電圧（１４０Ｖ直流電圧）を外部電源と同じ交流電圧（１００Ｖ交流電圧）に変換する。
【００１８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、整流回路３０により変換された所定の直流電圧をバッテリ２０の充電に必要な直流電圧（１７Ｖ〜４２Ｖ直流電圧）に降圧するとともに、バッテリ２０に充電された直流充電電圧（１２Ｖ〜３６Ｖ直流電圧）を交流入力電圧の形成に必要な直流電圧に昇圧する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０の構成については、後に説明する。
【００１９】
上述した構成の無停電電源装置１０は、以下のように動作する。商用電源の停電時には、バッテリ２０に充電された直流充電電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０に入力されて、交流入力電圧の形成に必要な直流電圧に昇圧される。昇圧された直流電圧はＡＣインバータ回路４０に入力され、商用電源と同じ交流電圧に変換される。変換された交流電圧は、無停電電源装置１０に設けられた出力端子（タップ）１２を介して各種負荷に出力される。
【００２０】
一方、商用電源の通電時には、ＡＣコンセントに接続された入力端子１１を介して交流入力電圧が整流回路３０に入力される。入力された交流入力電圧は、整流回路３０のダイオードブリッジ等にて整流され、また、整流回路３０のコンデンサによって平滑されて、所定の直流電圧として出力される。出力された所定の直流電圧はＡＣインバータ回路４０に入力されて商用電源と同じ交流電圧に変換され、変換された交流電圧は出力端子１２を介して各種負荷に出力される。また、整流回路３０から出力された所定の直流電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０に入力されて、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０にてバッテリ２０の充電に必要な直流電圧に降圧されて、降圧された直流電圧はバッテリ２０に出力される。バッテリ２０に出力された直流電圧により、バッテリ２０が所定の電圧まで充電される。
【００２１】
次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０の構成について、図２に基づいて詳細に説明する。図２は、本発明の実施形態に係る無停電電源装置に含まれる、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を示す回路図である。
【００２２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、バッテリ用入出力端子５１と、直流高電圧入力端子５２と、昇圧降圧回路６０とを有している。バッテリ用入出力端子５１は、停電時にバッテリ２０からの直流充電電圧を入力すると共に、通電時にバッテリ２０に直流電圧を出力するためのものである。直流高電圧入力端子５２は、通電時に整流回路３０から所定の直流電圧を入力すると共に、停電時に交流入力電圧の形成に必要な直流電圧を出力するためのものである。なお、バッテリ用入出力端子５１は必ずしも設ける必要はなく、バッテリ２０をＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０（昇圧降圧回路６０）に直接接続するように構成してもよい。
【００２３】
昇圧降圧回路６０は、昇降圧トランス６１、スイッチング素子としての第１ＭＯＳＦＥＴ７１、第２ＭＯＳＦＥＴ７２、第３ＭＯＳＦＥＴ７３、第４ＭＯＳＦＥＴ７４、第５ＭＯＳＦＥＴ７５、フォトカプラ８１、及び、昇圧降圧制御回路９１等を有している。昇降圧トランス６１は、バッテリ２０側に接続される１次側巻線６２と、整流回路３０（ＡＣインバータ回路４０）側に接続される２次側巻線６３とを有している。１次側巻線６２と２次側巻線６３の巻線比は、１：１１に設定されている。
【００２４】
１次側巻線６２は、複数に分割（本実施形態においては、２分割）されており、第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとを含んでいる。第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとの中点（中央タップ）は、バッテリ用入出力端子５１に接続されている。これにより、バッテリ２０の陽極は第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとの中点に接続される。２次側巻線６３は、１次側巻線６２と同数に分割（２分割）されており、第１の２次側巻線６３Ａと第２の２次側巻線６３Ｂとを含んでいる。第１の２次側巻線６３Ａと第２の２次側巻線６３Ｂとの中点（中央タップ）は、２次側電源出力のコモンラインとして直流高電圧入力端子５２に接続されている。コンデンサ５３は、第３ＭＯＳＦＥＴ７３（のソース）と第４ＭＯＳＦＥＴ７４（のソース）が接続されるアースと、第１の２次側巻線６３Ａと第２の２次側巻線６３Ｂとの中点とに接続されている。
【００２５】
第１ＭＯＳＦＥＴ７１（のドレイン）は第１の１次側巻線６２Ａの端部に接続されている。第１ＭＯＳＦＥＴ７１のソースは接地されている。また、第１ＭＯＳＦＥＴ７１のゲート電圧は、昇圧降圧制御回路９１によって制御可能となっている。これらの構成により、第１ＭＯＳＦＥＴ７１のスイッチング動作により、第１の１次側巻線６２Ａの通電がオン／オフ制御されることになる。
【００２６】
第２ＭＯＳＦＥＴ７２（のドレイン）は第２の１次側巻線６２Ｂの端部に接続されている。第２ＭＯＳＦＥＴ７２のソースは接地されている。また、第２ＭＯＳＦＥＴ７２のゲート電圧は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１と同様に、昇圧降圧制御回路９１によって制御可能となっている。これらの構成により、第２ＭＯＳＦＥＴ７２のスイッチング動作により、第２の１次側巻線６２Ｂの通電がオン／オフ制御されることになる。
【００２７】
第３ＭＯＳＦＥＴ７３（のドレイン）は第１の２次側巻線６３Ａの端部に接続されている。第３ＭＯＳＦＥＴ７３のソースは接地されている。また、第３ＭＯＳＦＥＴ７３のゲート電圧は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第２ＭＯＳＦＥＴ７２と同様に、昇圧降圧制御回路９１によって制御可能となっている。これらの構成により、第３ＭＯＳＦＥＴ７３のスイッチング動作により、第１の２次側巻線６３Ａの通電がオン／オフ制御されることになる。
【００２８】
第４ＭＯＳＦＥＴ７４（のドレイン）は、第５ＭＯＳＦＥＴ７５を経由して、第２の２次側巻線６３Ｂの端部に接続されている。第４ＭＯＳＦＥＴ７４のソースは接地されている。また、第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲート電圧は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第３ＭＯＳＦＥＴ７３と同様に、昇圧降圧制御回路９１によって制御可能となっている。これらの構成により、第４ＭＯＳＦＥＴ７４のスイッチング動作により、第２の２次側巻線６３Ｂの通電がオン／オフ制御されることになる。
【００２９】
第５ＭＯＳＦＥＴ７５は、第２の２次側巻線６３Ｂの端部と第４ＭＯＳＦＥＴ７４との間に設けられる。第５ＭＯＳＦＥＴ７５のドレインは第４ＭＯＳＦＥＴ７４のドレインに接続されており、第５ＭＯＳＦＥＴ７５のソースは第２の２次側巻線６３Ｂの端部に接続されている。第５ＭＯＳＦＥＴ７５は、第４ＭＯＳＦＥＴ７４を整流回路３０から切り離すスイッチング素子として作用する。
【００３０】
フォトカプラ８１は、第５ＭＯＳＦＥＴ７５のゲート電圧を制御するためのもので、昇降圧トランス６１の第３の巻線６４に接続されている。フォトカプラ８１には、主制御部（図示せず）に含まれる停電検出回路９２からの出力が接続されており、停電検出回路９２から出力される出力信号に基づいて、第３の巻線６４から出力される電圧を第５ＭＯＳＦＥＴ７５のゲートに出力するか否かを制御する。停電検出回路９２は、商用電源に停電が発生した否かを検出するもので、商用電源に停電が発生した場合には、フォトカプラ８１及び昇圧降圧制御回路９１に停電信号を出力する。フォトカプラ８１は、停電信号が入力された場合にはオンとなり、停電信号が入力されない場合にはオフとなる。
【００３１】
フォトカプラ８１がオンの場合には、第３の巻線６４から出力される電圧が第５ＭＯＳＦＥＴ７５のゲートに出力され、第５ＭＯＳＦＥＴ７５は、第４ＭＯＳＦＥＴ７４を整流回路３０に接続するように作動する。一方、フォトカプラ８１がオフの場合には、第３の巻線６４から出力される電圧が第５ＭＯＳＦＥＴ７５のゲートに出力されずに、第５ＭＯＳＦＥＴ７５は、第４ＭＯＳＦＥＴ７４を整流回路３０から切り離すように作動する。第３の巻線６４の一方の端部には、整流用のダイオード５４が直列に接続されており、また、第３の巻線６４の両端部には、平滑化用のコンデンサ５５が並列に接続されている。
【００３２】
昇圧降圧制御回路９１は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４の動作を直接的にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御するためのものである。昇圧降圧制御回路９１の出力は、図２に示されるように、複数の出力を有しており、昇圧降圧制御回路９１の出力の一方は、同時にオン／オフさせるために、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３のゲート同士を接続した部分に接続されている。昇圧降圧制御回路９１の出力の他方は、同時にオン／オフさせるために、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲート同士を接続した部分に接続されている。また、昇圧降圧制御回路９１には、上述した停電検出回路９２の出力が接続されている。更に、降圧（充電）時、昇圧降圧制御回路９１は昇降圧トランス６１の１次側電圧を監視している（図示せず）。
【００３３】
昇圧降圧制御回路９１は、停電検出回路９２から出力される停電信号を検出しており、図３に示される昇圧降圧制御処理動作を行う。
【００３４】
まず、Ｓ１０１において、昇圧降圧制御回路９１は、停電検出回路９２からの停電信号に基づいて、商用電源に停電が発生したか否かを判断する。停電検出回路９２から停電信号が出力された、すなわち商用電源に停電が発生した状態である場合には（Ｓ１０１で「Ｙｅｓ」）、Ｓ１０３に進む。停電検出回路９２から停電信号が出力されず、すなわち商用電源に停電が発生していない通電状態である場合には（Ｓ１０１で「Ｎｏ」）、後述するＳ１０５に進む。
【００３５】
停電が発生して昇圧降圧制御回路９１に停電信号が入力されると、Ｓ１０３に示すように、昇圧動作処理が開始される。ここでは、昇圧降圧制御回路９１は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４が昇圧のためのスイッチング動作を行うように第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４にＰＷＭ制御パルス信号を出力する。このＰＷＭ制御パルス信号の出力により、第１ＭＯＳＦＥＴ７１と第３ＭＯＳＦＥＴ７３との組合せと、第２ＭＯＳＦＥＴ７２と第４ＭＯＳＦＥＴ７４との組合せとで、交互にオン／オフ（プッシュプル動作）することになる。
【００３６】
昇圧降圧制御回路９１に停電信号が入力されておらず、通電時には、Ｓ１０５に示すように、降圧動作処理が開始される。ここでは、昇圧降圧制御回路９１は、フライバックエネルギーが第２の２次側巻線６３Ｂを通して２次側に戻らないようにするために、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲート信号をオフし、第２の２次側巻線６３Ｂを回路から切り離す。また、昇圧降圧制御回路９１は、バッテリ２０の充電のために第３ＭＯＳＦＥＴ７３にＰＷＭ制御パルス信号（例えば２５〜３０ｋＨｚ、デューティ比２５％）を出力する。
【００３７】
続く、Ｓ１０７では、昇降圧トランス６１の１次側に接続されているバッテリ２０の電圧の値を読み、Ｓ１０９にて、バッテリ２０の充電が必要か否かを判断する。バッテリ２０の充電が必要である場合には（Ｓ１０９で「Ｙｅｓ」）、後述するＳ１１１に進む。バッテリ２０の充電が必要でない場合には（Ｓ１０９で「Ｎｏ」）、Ｓ１０１にリターンする。バッテリ２０の充電が必要か否かは、バッテリ２０の電圧を監視することにより判断される。
【００３８】
Ｓ１１１では、昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値と一致するか否かが判断される。昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値と一致した場合には（Ｓ１１１で「Ｙｅｓ」）、前述したＳ１０７にリターンする。昇降圧トランス６１の２次側電圧の値が所定の基準電圧値と一致しない場合には（Ｓ１１１で「Ｎｏ」）、Ｓ１１３に進む。
【００３９】
Ｓ１１３では、昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値より高いか否かが判断される。昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値より高い場合には（Ｓ１１３で「Ｙｅｓ」）、Ｓ１１５に進む。Ｓ１１５に進むと、昇圧降圧制御回路９１は、第１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３の駆動デューティ比を上述した所定の基準デューティ比からデューティ比が小さくなる（オン時間が短くなる）ように変更して制御信号を出力する。一方、昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値より高くない、すなわち昇降圧トランス６１の１次側電圧の値が所定の基準電圧値より低い場合には（Ｓ１１３で「Ｎｏ」）、Ｓ１１７に進み、昇圧降圧制御回路９１は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３の駆動デューティ比を上述した所定の基準デューティ比からデューティ比が大きくなる（オン時間が長くなる）ように変更して制御信号を出力する。これにより、駆動デューティ比は、昇降圧トランス６１の１次側電圧の値に応じて、５０％以下の５％〜４５％の範囲で変化することになる。なお、バッテリ２０の充電中に停電が発生した場合には、図示しない割り込み処理により、Ｓ１０３にて示される昇圧動作処理が開始されることになる。
【００４０】
つぎに、上述した構成のＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０の昇圧及び降圧動作について説明する。
【００４１】
まずは、停電時の昇圧動作について詳細に説明する。停電時には、停電検出回路９２からの停電信号により、フォトカプラ８１がオンして第５ＭＯＳＦＥＴ７５がオンする。なお、停電時には、第５ＭＯＳＦＥＴ７５は常時オンとなる。同じく、昇圧降圧制御回路９１は、停電検出回路からの停電信号により、第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４に昇圧のためのＰＷＭ制御パルス信号を出力する。このスイッチング動作は、休止時間がほとんど無いプッシュプル動作であって、スイッチング周波数は、８０ｋＨｚ程度とされている。昇圧降圧制御回路９１からの制御信号により、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３とが同時にオン／オフし、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４とが同時にオン／オフする。また、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３と、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４とは、交互にオン／オフすることになる。
【００４２】
第１ＭＯＳＦＥＴ７１がオンすると、昇降圧トランス６１の第１の１次側巻線６２Ａにバッテリ２０の直流充電電圧が印加される。第１の１次側巻線６２Ａにバッテリ２０の直流充電電圧が印加されることにより、昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａには、第１の２次側巻線６３Ａと第２の２次側巻線６３Ｂとの中点側が正の電位となる電圧が誘起され、アースから第３ＭＯＳＦＥＴ７３を介して電流が流れ、コンデンサ５３が蓄電される。なお、第３ＭＯＳＦＥＴ７３は、その内部の寄生ダイオードによっても整流動作を行うことが可能であるが、第１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３とを同時にオンすることで、上述した寄生ダイオードではなく、内部抵抗の低い第３ＭＯＳＦＥＴ７３に電流を流し、寄生ダイオードによる整流に比して損失を１／３程度に抑えている。
【００４３】
次に、第２ＭＯＳＦＥＴ７２がオンすると、昇降圧トランス６１の第２の１次側巻線６２Ｂにバッテリ２０の直流充電電圧が印加される。第２の１次側巻線６２Ｂにバッテリ２０の直流充電電圧が印加されることにより、昇降圧トランス６１の第２の２次側巻線６３Ｂには、第１の２次側巻線６３Ａと第２の２次側巻線６３Ｂとの中点側が正の電位となる電圧が誘起され、アースから第５ＭＯＳＦＥＴ７５及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４を介して電流が流れ、コンデンサ５３が蓄電される。なお、第４ＭＯＳＦＥＴ７４は、その内部の寄生ダイオードによっても整流動作を行うことが可能であるが、第２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４とを同時にオンすることで、上述した寄生ダイオードではなく、内部抵抗の低い第４ＭＯＳＦＥＴ７４に電流を流し、寄生ダイオードによる整流に比して損失を１／３程度に抑えている。
【００４４】
第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３と、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４とが、交互にオン／オフすることにより、昇降圧トランス６１の２次側の電圧は最終的にバッテリ２０の電圧と昇降圧トランス６１の巻線比で決まる、１００Ｖ〜１４０Ｖ程度まで上昇し、ＡＣインバータ回路４０に供給される。
【００４５】
このように、昇圧動作時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇降圧トランス６１の第１の１次側巻線６２Ａの巻方向と第１の２次側巻線６３Ａの巻方向とが同方向とされ、また、昇降圧トランス６１の第２の１次側巻線６２Ｂの巻方向と第２の２次側巻線６３Ｂの巻方向とが同方向とされたフォワードモードで動作することになり、休止時間のほとんど無いプッシュプル方式でバッテリ２０の充電直流電圧が交流入力電圧の形成に必要な電圧に昇圧される。以上のことから、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇圧時においては、フォワードプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。なお、電圧安定化制御はＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０においては行われず、ＡＣインバータ回路４０にて行われる。
【００４６】
次に、通電時の降圧動作について詳細に説明する。通電（非停電）時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０には、整流回路３０により変換された所定の直流電圧（１４０Ｖ直流電圧）が入力される。また、通電時には、停電検出回路９２から停電信号が出力されず、フォトカプラ８１がオフして第５ＭＯＳＦＥＴ７５がオフする。なお、通電時には、第５ＭＯＳＦＥＴ７５は常時オフとなる。昇圧降圧制御回路９１は、停電検出回路から停電信号が出力されないことから、第２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４がオフとなるように第２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４に制御信号を出力する。同じく、昇圧降圧制御回路９１は、停電検出回路９２から停電信号が出力されないことから、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３が降圧のためのスイッチング動作を行うように第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３に制御信号を出力する。このスイッチング動作は、上述したようにデューティ比５０％以下、周波数２５ｋＨｚ程度とされている。昇圧降圧制御回路９１からの制御信号により、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３とが同時にオン／オフする。
【００４７】
第３ＭＯＳＦＥＴ７３がオンすると、整流回路からの電源供給により、昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａに電力が蓄電される。第３ＭＯＳＦＥＴ７３がオンした場合、上述したようにフォワードモードでの動作により昇降圧トランス６１の第１の１次側巻線６２Ａには、第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとの中点側が正の電位となり且つ巻線比の関係により決まる電圧が誘起される。このときに、バッテリ２０の電圧が放電直後等で誘起された電圧より低くなっていれば、電流はアースから第１ＭＯＳＦＥＴ７１、第１の１次側巻線６２Ａを通って、第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとの中点に並列に接続されているバッテリ２０に充電電流として流れてバッテリ２０が充電されることになる。バッテリ２０がある程度（１０％〜２０％）の充電量になると、誘起された電圧が昇降圧トランス６１の巻線比の関係によりバッテリ２０の充電の可能電圧に満たないため、第１の１次側巻線６２Ａには電流が流れない。これにより、第１の２次側巻線６３Ａにも電流が流れない。
【００４８】
次に、第３ＭＯＳＦＥＴ７３がオフすると、第１の２次側巻線６３Ａに蓄電された電力（フライバックエネルギー）は第２の１次側巻線６２Ｂに誘起され、第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂとの中点側が正の電位となり、アースから第２ＭＯＳＦＥＴ７２（その内部の寄生ダイオード）、第２の１次側巻線６２Ｂを経由してバッテリ２０に充電電流として流れる。この時の充電は、前述したフォワード動作の時の電圧型動作と異なり、インダクタンスに蓄えられたエネルギーを電流型動作で放出することになるので、第２の１次側巻線６２Ｂに生じる電圧は、その時のバッテリ２０の電圧より高くなり、充電電圧が不足することはない。
【００４９】
第３ＭＯＳＦＥＴ７３がオンして第１の２次側巻線６３Ａに蓄電された電力は、第３ＭＯＳＦＥＴ７３がオフしたときに、第２の２次側巻線６３Ｂにも誘起（第１の２次側巻線６３Ａとの接点がプラス電位となる）され、アースから、第４ＭＯＳＦＥＴ７４、第２の２次側巻線６３Ｂを経由して、２次側の電源入力部に電力を返還してしまうことになる。しかし、第４ＭＯＳＦＥＴ７４に直列に接続された第５ＭＯＳＦＥＴ７５をオフし、第２の２次側巻線６３Ｂを切り離して、２次側の電源入力部への電力の返還を止めることができる。
【００５０】
なお、本実施形態においては、降圧時において充電電流を一定にするために、昇圧降圧制御回路９１により昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａに入力される電圧（整流回路により変換された所定の直流電圧）に応じて第３ＭＯＳＦＥＴ７３のデューティ比（オンデューティ時間）を制御している。昇圧降圧制御回路９１は、第３ＭＯＳＦＥＴ７３のデューティ比を昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａに入力される電圧の大きさに反比例させて充電電流を一定に制御しており、上述したように、５％〜４５％の範囲でデューティ比が制御される。第３ＭＯＳＦＥＴ７３のデューティ比が大きくなると充電電流が多くなる。充電電流は、昇圧降圧制御回路９１により０．１Ａ〜１０Ａの範囲で既定値に制御される。
【００５１】
このように、降圧動作時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａと、それと逆相に巻かれた第１の１次側巻線６２Ａとの間ではフォワードモードで、第１の２次側巻線６３Ａと、それと逆相に巻かれた第２の１次側巻線６２Ｂとの間ではフライバックモードで動作することになり、バッテリ２０の電圧に応じて、第１の１次側巻線６２Ａあるいは第２の１次側巻線６２Ｂから、バッテリ２０に充電電流が供給される。以上のことから、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、降圧（充電）時においては、フライバックシングル型ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。
【００５２】
上述したように、無停電電源装置１０にあっては、整流回路３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０と、を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０が昇降圧トランス６１を有し、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフォワードモードにて動作させることにより直流充電電圧を昇圧し、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフライバックモードにて動作させることにより所定の直流電圧を降圧するので、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６１を用いるのみで無停電電源装置１０を実現することができる。また、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフォワードモードにて動作させ、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフライバックモードにて動作させることにより、１つの昇降圧トランスを用いた場合のバッテリ２０の充電電圧が不足するのを抑制することができ、バッテリ２０の充電に必要な電圧を得ることができる。
【００５３】
また、昇降圧トランス６１は、第１の１次側巻線６２Ａ及び第２の１次側巻線６２Ｂと第１の２次側巻線６３Ａ及び第２の２次側巻線６３Ｂとを有し、夫々の巻線６２Ａ，６２Ｂ，６３Ａ，６３Ｂに対して、スイッチング素子としての第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、停電の発生状態に基づいて第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４の動作を制御する昇圧降圧制御回路９１を更に有しているので、停電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフォワードモードにて動作させ、通電時にはＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０をフライバックモードにて動作させることで、通常では昇圧及び降圧のそれぞれに対して必要とされる比較的高価な制御回路である昇圧降圧制御回路９１を１つにすることができ、実装スペース及びコストの低減が可能となる。
【００５４】
また、昇圧降圧制御回路９１は、第１ＭＯＳＦＥＴ７１及び第３ＭＯＳＦＥＴ７３とが同時にオン／オフし、第２ＭＯＳＦＥＴ７２及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４とが同時にオン／オフするように第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４の動作を制御するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０の昇圧動作時に、第３ＭＯＳＦＥＴ７３及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４の内部ダイオードにおいて整流動作が行われるのを抑制して、昇圧整流時の損失を低減することができ、第３ＭＯＳＦＥＴ７３及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４の発熱を抑制することができると共に、バッテリ２０からの電力を効率よく利用することができる。
【００５５】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、第２の２次側巻線６３Ｂに接続される第４ＭＯＳＦＥＴ７４を整流回路３０と切り離すための第５ＭＯＳＦＥＴ７５を更に有しているので、バッテリ２０を充電するときに電力が整流回路３０に返還されるのを抑制し、バッテリ２０の充電を効率よく行うことができる。
【００５６】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇圧降圧制御回路９１からの信号に基づいて、第５ＭＯＳＦＥＴ７５を動作させるためのフォトカプラ８１を更に有し、昇降圧トランス６１は、第５ＭＯＳＦＥＴ７５に電圧を出力するための第３の巻線６４を更に有しているので、第２の２次側巻線６３Ｂに接続される第４ＭＯＳＦＥＴ７４を整流回路３０と切り離すための第５ＭＯＳＦＥＴ７５を動作させ得る構成を簡易且つ低コストで実現することができる。
【００５７】
次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０の変形例について、図４に基づいて詳細に説明する。図４は、本発明の実施形態に係る無停電電源装置に含まれる、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の変形例を示す回路図である。図２に示された実施形態と、図４に示された変形例とでは、２つの高速フォトカプラ８２，８３を設けた点で相違する。
【００５８】
第１の高速フォトカプラ８２は、第３ＭＯＳＦＥＴ７３を第１ＭＯＳＦＥＴ７１と同時に動作させるためのもので、昇降圧トランス６１の第４の巻線６５に接続されている。第１の高速フォトカプラ８２には、昇圧降圧制御回路９１からの出力が接続されており、昇圧降圧制御回路９１から出力される出力信号に基づいて、第４の巻線６５から出力される電圧を第３ＭＯＳＦＥＴ７３のゲートに出力するか否かを制御する。
【００５９】
第１の高速フォトカプラ８２がオンの場合には、第４の巻線６５から出力される電圧が第３ＭＯＳＦＥＴ７３のゲートに出力され、第３ＭＯＳＦＥＴ７３はオンとなる。一方、第１の高速フォトカプラ８２がオフの場合には、第４の巻線６５から出力される電圧が第３ＭＯＳＦＥＴ７３のゲートに出力されずに、第３ＭＯＳＦＥＴ７３はオフとなる。第４の巻線６５の一方の端部には、整流用のダイオード５６が直列に接続されており、また、第４の巻線６５の両端部には、平滑化用のコンデンサ５７が並列に接続されている。
【００６０】
第２の高速フォトカプラ８３は、第４ＭＯＳＦＥＴ７４を第２ＭＯＳＦＥＴ７２と同時に動作させるためのもので、昇降圧トランス６１の第３の巻線６４に接続されている。第２の高速フォトカプラ８３には、昇圧降圧制御回路９１からの出力が接続されており、昇圧降圧制御回路９１から出力される出力信号に基づいて、第３の巻線６４から出力される電圧を第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲートに出力するか否かを制御する。
【００６１】
第２の高速フォトカプラ８３がオンの場合には、第３の巻線６４から出力される電圧が第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲートに出力され、第４ＭＯＳＦＥＴ７４はオンとなる。一方、第２の高速フォトカプラ８３がオフの場合には、第３の巻線６４から出力される電圧が第４ＭＯＳＦＥＴ７４のゲートに出力されずに、第４ＭＯＳＦＥＴ７４はオフとなる。
【００６２】
図４に示された変形例においても、図２に示された実施形態と同様に、昇圧動作時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇降圧トランス６１の第１の１次側巻線６２Ａの巻方向と第１の２次側巻線６３Ａの巻方向とが同方向とされ、また、昇降圧トランス６１の第２の１次側巻線６２Ｂの巻方向と第２の２次側巻線６３Ｂの巻方向とが同方向とされたフォワードモードで動作することになり、休止時間のほとんど無いプッシュプル方式でバッテリ２０の直流電圧が交流出力の形成に必要な電圧に昇圧される。
【００６３】
また、降圧動作時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０は、昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａの巻方向と第１の１次側巻線６２Ａの巻方向とが逆方向とされ、また、昇降圧トランス６１の第１の２次側巻線６３Ａの巻方向と第２の１次側巻線６２Ｂの巻方向とが逆方向とされたフライバックモードで動作することになり、バッテリ２０の電圧に応じて第１の１次側巻線６２Ａと第２の１次側巻線６２Ｂのどちらかからバッテリ２０に電流が供給されてバッテリ２０が充電される。
【００６４】
以上のことから、図４に示された変形例においても、図２に示された実施形態と同様の作用、効果を奏する。
【００６５】
図４に示された変形例では、２つの高速フォトカプラ８２，８３を使用することにより、第３ＭＯＳＦＥＴ７３及び第４ＭＯＳＦＥＴ７４のスイッチング速度を高め、昇降圧トランス６１の駆動周波数を高めているが３０ｋＨｚ程度が上限となる。しかしながら、図２に示された実施形態では、昇圧降圧制御回路９１で第１ＭＯＳＦＥＴ７１〜第４ＭＯＳＦＥＴ７４を直接的に駆動しているので、１００ｋＨｚ以上の駆動周波数で昇降圧トランス６１を駆動することが可能となる。したがって、図２に示された実施形態の方が、図４に示された変形例に比して、昇降圧トランス６１の小型化を容易に図ることができる。
【００６６】
なお、第４ＭＯＳＦＥＴ７４をダイオードに置き換えてＤＣ／ＤＣコンバータ回路５０を構成することも可能である。しかしながら、両極の動作条件を揃えておかないと、昇降圧トランス６１をプッシュプル方式で動作させる場合に偏磁により昇降圧トランス６１が飽和する惧れがあることから、第４ＭＯＳＦＥＴ７４をダイオードに置き換えることは好ましくない。
【００６７】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、上述した数値等も適宜変更して設定することができる。また、本実施形態においては、昇降圧トランス６１に第３の巻線６４及び第４の巻線６５を設けるように構成しているが、これに限られることなく、第３の巻線６４及び第４の巻線６５を昇降圧トランス６１とは別のトランスに設けるように構成してもよい。
【００６８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、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ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る無停電電源装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る無停電電源装置に含まれる、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を示す回路図である。
【図３】本発明の実施形態に係る無停電電源装置に含まれる、昇圧降圧制御回路において実行される制御処理動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る無停電電源装置に含まれる、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の変形例を示す回路図である。
【図５】従来の無停電電源装置を示す回路図である。
【符号の説明】
１０…無停電電源装置、１１…入力端子、１２…出力端子、２０…バッテリ、３０…整流回路、４０…ＡＣインバータ回路、５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、５１…バッテリ用入出力端子、５２…直流高電圧入力端子、５３…コンデンサ、６０…昇圧降圧回路、６１…昇降圧トランス、６２…１次側巻線、６２Ａ…第１の１次側巻線、６２Ｂ…第２の１次側巻線、６３…２次側巻線、６３Ａ…第１の２次側巻線、６３Ｂ…第２の２次側巻線、６４…第３の巻線、６５…第４の巻線、７１…第１ＭＯＳＦＥＴ、７２…第２ＭＯＳＦＥＴ、７３…第３ＭＯＳＦＥＴ、７４…第４ＭＯＳＦＥＴ、７５…第５ＭＯＳＦＥＴ、８１…フォトカプラ、８２…第１の高速フォトカプラ、８３…第２の高速フォトカプラ、９１…昇圧降圧制御回路、９２…停電検出回路、１００…無停電電源装置、１０６…降圧トランス、１１８…昇圧トランス、１４２…充電制御回路、１５０…昇圧制御回路。
Claims (5)
- 交流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直流充電電圧を前記交流入力電圧に昇圧及び変換して出力する無停電電源装置において、
前記交流入力電圧を所定の直流電圧に変換する整流回路と、
前記整流回路により変換された前記所定の直流電圧を前記バッテリの充電に必要な直流電圧に降圧するとともに、前記バッテリに充電された前記直流充電電圧を前記交流入力電圧の形成に必要な電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、を備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は昇降圧トランスを有しており、
停電時には前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフォワードモードにて動作させることにより前記直流充電電圧を昇圧し、通電時には前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路をフライバックモードにて動作させることにより前記所定の直流電圧を降圧することを特徴とする無停電電源装置。 - 前記昇降圧トランスは、複数に分割された１次側巻線と前記１次側巻線と同数に分割された２次側巻線とを有し、
前記１次側巻線及び前記２次側巻線の分割された夫々の巻線に対して、スイッチング素子が接続されており、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、停電の発生状態に基づいて前記各スイッチング素子の動作を制御する昇圧降圧制御回路を更に有していることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。 - 前記各スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴが用いられており、
前記昇圧降圧制御回路は、前記１次側巻線に接続される前記スイッチング素子と前記２次側巻線に接続される前記スイッチング素子とを同時にオンさせるように前記各スイッチング素子の動作を制御することを特徴とする請求項２に記載の無停電電源装置。 - 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、前記２次側巻線に接続される前記スイッチング素子を前記整流回路から切り離すためのスイッチング素子を更に有していることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の無停電電源装置。
- 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、前記昇圧降圧制御回路からの信号に基づいて、前記２次側巻線に接続される前記スイッチング素子を前記整流回路と切り離すための前記スイッチング素子を動作させるためのフォトカプラを更に有し、
前記昇降圧トランスは、前記２次側巻線に接続される前記スイッチング素子を前記整流回路と切り離すための前記スイッチング素子に電圧を出力するための巻線を更に有していることを特徴とする請求項４に記載の無停電電源装置。
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