JP5073436B2 - 無瞬断バックアップ電源 - Google Patents

Description

本発明は、主電源が停電した場合に、無瞬断でバックアップ用電源に切り替えて電力を供給する無瞬断バックアップ電源に関する。

従来から商用電源等の主電源の停電時や電圧の低下時に、負荷への電力供給を継続するために鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池などの２次電池や電気２重層コンデンサなどがバックアップ用電源として備えられている。これらのバックアップ用電源は、通常時には主電源により充電され、停電などの緊急時には放電して、接続された負荷へ電力を供給するものである。

このようなバックアップ用電源を用いる場合、主電源が安定した電圧を供給している場合には、図４に示すバックアップ電源のように、主回路２１のダイオード２３ａの出力側にバックアップ用電源２７を並列接続することで、バックアップ用電源２７をフロート充電し、主電源が停電を起こした場合や電圧低下した場合には、バックアップ用電源２７が放電して無瞬断で電源の切替を行うことができる。

ところが、主電源の電圧が安定して供給されないような場合、即ち非安定化電源が用いられている場合には、図４のバックアップ電源の使用は困難で、図５に示すようなバックアップ電源を用いることになる。図５では、主回路２１のダイオード２３ａの入力側で充電器２６、リレー回路２９の電源切替スイッチ２９ａ、バックアップ用電源２７を直列接続した回路を主回路２1と並列に接続し、電源切替スイッチ２９ａを動作させるためのリレー回路２９を主回路２１に並列に接続している。

図５のバックアップ電源は、通常使用時には主電源により充電器２６を介してバックアップ用電源２７が充電され、主電源の停電や電圧低下時には、リレー回路２９により電源切替スイッチ２９ａが動作して主電源からバックアップ用電源２７への電源の切替を行い、バックアップ用電源２７から負荷へ電力を供給することになるが、図５に示すバックアップ電源では、その電源切替時に瞬断が発生してしまい負荷に悪影響を与えることになる。

そこで、図６に示すバックアップ電源のように主回路２１のダイオード２３ａの入力側に昇降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を配し、ダイオード２３ａの出力側にバックアップ用電源２７を主回路２1に対して並列に接続してフロート充電するバックアップ電源が知られている。

又、特許文献１には図７に示すような無停電電源装置も提案されている。この無停電電源装置では、ダイオード２３ａと昇降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を直列に接続して構成される主回路２１に、ダイオード２３ａの入力側に充電器２６を介してバックアップ用電源２７を接続して、バックアップ用電源２７を充電すると共に、主電源の不具合時には、バックアップ用電源２７から主回路２1の出力側に設けられた昇降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して負荷に電力を供給する方式が提示されている。３２、３３はダイオードである。

特許文献２には、図８に示すバックアップ用蓄電池を備えた直流電源装置が提案されている。この直流電源装置では、図７とは逆配置に昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４とダイオード２３ａが直列に接続して構成される主回路２１に、昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４とダイオード２３ａの間に充電回路２６ａを介してバックアップ用電源２７を接続して、バックアップ用電源２７を充電すると共に、主電源の不具合時には、バックアップ用電源２７からダイオード３２、昇降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ２５、ダイオード２３ｂを介して負荷に電力を供給する方式が提示されている。

特開２００４−１５９４０５号公報 特開平９−２００９７４号公報

このように、主電源として非安定化電源が用いられ、無瞬断で電源の切替を行う場合には、図６乃至図８に示されるバックアップ電源は、主回路にＤＣ／ＤＣコンバータなどの回路構成素子が備えられている。これは、主回路上に故障となる要因が増えることであり、回路そのものの信頼性の低下を招く原因となっている。

そこで、本発明では通常作動時に信頼性低下の原因となる主回路に設けられるＤＣ／ＤＣコンバータなどの回路構成素子を主回路から取り除き、その信頼性を保つと共に、主電源の停電時や電圧低下時に瞬断することなく、バックアップ用電源への切替を可能とする無瞬断バックアップ電源を提供するものである。

本発明は、直流主電源と負荷とはダイオードのみを介して接続される主回路と、前記ダイオードの入力側から分岐して前記主回路と並列接続する昇圧装置と充電器と降圧装置を直列接続した第１の副回路と、充電器の出力側から分岐し、第１の副回路の降圧装置と並列接続するスイッチ部とバックアップ用電源との並列回路から成る第２の副回路とから構成され、直流主電源から負荷へダイオードのみを介して電力が供給されている常時は第１副回路の昇圧装置により昇圧されて充電器により第２の副回路のバックアップ用電源を充電すると共に降圧装置により電力が戻され出力電圧の変動を抑制し、直流主電源の停電時や電圧低下時は、バックアップ用電源から第１副回路の降圧装置を介して無瞬断で電力が負荷に供給され出力電圧の安定化や電力の供給をはかると共に、主電源電圧が低下し且つバックアップ電源が低下した場合は第２副回路のスイッチ部が閉路して、第１副回路の降圧装置は介さず、該スイッチ部を介して直接電力が無瞬断で負荷に供給される無瞬断バックアップ電源である。

本発明の無瞬断バックアップ電源によれば、主回路上にＤＣ／ＤＣコンバータなどの信頼性低下の原因となる回路構成素子が存在しないので、通常動作時においての主回路の信頼性を保ったままに、無瞬断バックアップが可能となる。
更に、主回路と並列に、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を備える副回路が接続されることで、入力電圧の変動に対する出力電圧の変動が抑制される。

以下、図を用いて実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例の一例を示すもので、１は主回路、２ａは第一の副回路、２ｂは第二の副回路、２ｃは制御回路、３ａは主回路上の第一のダイオード、３ｂ、３ｃ、１１は、各副回路上の逆流防止用の第二から第四のダイオード、４は昇圧装置としての昇圧用ＤＣ/ＤＣコンバータ、５は降圧装置としての降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ、６は充電器、７はバックアップ用電源で、多数の鉛蓄電池を直列接続して構成されている。８は電圧検知部、９はリレー回路で、９ａはリレー、９ｂはトランジスタ、Ｂはトランジスタのベース、Ｃはコレクタ、Ｅはエミッタを表している。ｒ１はスイッチ部としてのリレーの接点である。

図２は、図１の無瞬断バックアップ電源を用いた場合の入力切断（停電時を想定）時と、入力漸次低下（電圧低下時を想定）時の出力特性を示す図で、（ａ）は入力切断時、（ｂ）は入力漸次低下時を示している。

図１の実施例において、主回路１は、主電源が接続されている入力端と負荷が接続されている出力端の間にダイオード３ａのみで構成されている。ダイオード３ａの入力側に、第一の副回路２ａが主回路１と並列に分岐接続する。

第一の副回路２ａは、昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ４、充電器６、第四のダイオード１１、降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ５と第二のダイオード３ｂが直列に接続される。この第一の副回路２ａは、第一にバックアップ用電源７を充電するための電力供給、第二に入力電圧の変動を補正して出力電圧の安定化をはかる役割を持っている。
この第一の副回路２ａの第四のダイオード１１と降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ５との間で、第二の副回路２ｂが第一の副回路２ａと並列に分岐接続する。

第二の副回路２ｂは、リレー９の接点ｒｌと第三のダイオード３ｃが直列に接続された回路と、バックアップ用電源７が並列に接続された回路からなり、これらが降圧装置としての降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ５と並列に接続され、バックアップ用電源７の充電或いは電源バックアップ時にバックアップ用電源７からの電力供給を行うものである。

更に、バックアップ用電源７の両端には、リレー（ＲＬ）９ａとトランジスタ９ｂから成るリレー回路９及びトランジスタ９ｂのベース（Ｂ）は主回路１の電圧を検出する電圧検知部８からなる制御回路２ｃが接続されている。
電圧検知部８は、主電源の入力電圧が、規定電圧以下に低下し更にバックアップ用電源の電圧が規定電圧以下に低下した状態を検出した場合は、リレー回路９を作動させて接点ｒｌが閉じられる。

次に、図１の無瞬断バックアップ電源の動作について示す。
通常使用時には、入力端に接続された主電源から主回路１を介して出力端に接続される負荷に電力の供給が行われる。主回路１は、逆流防止用のダイオード３ａのみで構成されていることから信頼性の低下を招くことはない。この間、バックアップ用電源７は充電器６により充電され、バックアップ用電源７が満充電となった場合には、接点ｒｌが開路状態であることから、降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ５を介して主回路１に戻される。この時、出力電圧の変動が抑制される。

一方、主電源が停電若しくは何らかの原因により電圧低下を起こした場合は、降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ５は無瞬断でバックアップ電源７より電力が供給されて負荷に電力が供給される。そして、やがてバックアップ電源７の電圧が低下して規定電圧以下の値になると電圧検知部８がその電圧変化を検出し、リレー回路９を動作させ、接点ｒ１が閉じられ、バックアップ電源７より降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ５を介さず接点ｒ１より直接電力が負荷に供給される。

その出力特性を図２を用いて詳細する。
先ず入力切断時（例えば停電時）には、図２（ａ）に示すように、時間ｔ０で入力切断が生じると、入力電圧は０Ｖに向けて低下するが、出力は、降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ５はバックアップ電源７より電力が供給されて無瞬断で電力が供給され続ける。
なお、入力電圧の低下時において、バックアップ用電源７に切り替えられた後は、電圧検知部８は、バックアップ電源７により、その電圧が高い間は作動せず、リレー回路９は動作しない。やがてバックアップ電源７の電圧が放電により低下すると（Δｔ）電圧検知部８が電圧低下を検知し、リレー回路９を動作させ、接点ｒ１を閉じ、降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ５を介さず、バックアップ電源７から接点ｒ１を介し、直接出力される。

入力漸次低下時には、図２（ｂ）に示すように、時間ｔ０から入力電圧が徐々に低下して行き、その低下に伴いバックアップ電源７から徐々に電力が供給されて、前記同様、出力は、無瞬断で供給され続ける。その後、電圧検出部８の検出レベルに入力電圧が到達すし、更にバックアップ電源７の放電電圧が低下すると、リレー回路９の接点ｒｌが閉じられ、バックアップ用電源７から接点ｒ１を介し、電力供給が継続される。

図３は、他の実施例を示す。基本的な回路構成は図１と同じで、図１と同じ符号は同じものを示す。この場合も同様に主回路１には、ダイオード３ａのみが接続されている。第一の副回路２ａは、昇圧或いは昇降圧機能を備える充電器６が昇圧装置兼用充電器として接続され、降圧装置そして複数のダイオードを直列接続したダイオードドロッパー１２が接続されている。第二の副回路２ｂにはＭＯＳＦＥＴ１３が、リレーの接点に代えて接続され、そのベースはトランジスタ９ｂのコレクタＣに接続されているものである。
この実施例においても、その動作は図１の場合と同様で、通常使用時は電源から主回路１を介して負荷に電力が供給され、第一の副回路２ａにより充電器６により蓄電池７が充電されると共に、ダイオードドロッパー１２を介して主回路１へ電力が戻される。
そして、主電源が停電若しくは電圧低下した場合は、蓄電池７からダイオードドロッパー１２を介して負荷へ電力が無瞬断で供給され、やがて蓄電池７の電圧も低下するとＭＯＳＦＥＴ１３がＯＮして、蓄電池７からＭＯＳＦＥＴ１３を介して電力が無瞬断で供給されるものである。

本発明に係る無瞬断バックアップ電源の実施例を示す図である。 図１の無瞬断バックアップ電源を用いた場合の入力切断（停電時を想定）時と、入力漸次低下（電圧低下時を想定）時の出力特性を示す図で、（ａ）は入力切断時、（ｂ）は入力漸次低下時である。 本発明に係る無瞬断バックアップ電源の他の実施例を示す図である。 従来のバックアップ電源の各種方式を示す図で、安定化電源を主電源とするものである。 従来のバックアップ電源の各種方式を示す図で、非安定化電源を主電源とするものである。 従来のバックアップ電源の各種方式を示す図で、非安定化電源を主電源とするものである。 従来提案された無停電電源装置の一例を示す図である。 従来提案されたバックアップ用蓄電池を備えた直流電源装置の一例を示す図である。

符号の説明

１ 主回路
２ａ 第一の副回路
２ｂ 第二の副回路
２ｃ 制御回路
３ａ 主回路上のダイオード
３ｂ、３ｃ 第二、第三のダイオード
４ 昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ
５ 降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ
６ 充電器
７ バックアップ用電源
８ 電圧検出部
９ リレー回路
９ａ リレー（ＲＬ）
９ｂ トランジスタ
ｒｌ リレー接点

Claims (1)

1. 無瞬断バックアップ電源であって、直流主電源と負荷とはダイオードのみを介して接続される主回路と、前記ダイオードの入力側から分岐して前記主回路と並列接続する昇圧装置と充電器と降圧装置を直列接続した第１の副回路と、充電器の出力側から分岐し、第１の副回路の降圧装置と並列接続するスイッチ部とバックアップ用電源との並列回路から成る第２の副回路とから構成され、直流主電源から負荷へダイオードのみを介して電力が供給されている常時は第１副回路の昇圧装置により昇圧されて充電器により第２の副回路のバックアップ用電源を充電すると共に降圧装置により電力が戻され出力電圧の変動を抑制し、直流主電源の停電時や電圧低下時は、バックアップ用電源から第１副回路の降圧装置を介して無瞬断で電力が負荷に供給され出力電圧の安定化や電力の供給をはかると共に、主電源電圧が低下し且つバックアップ電源が低下した場合は第２副回路のスイッチ部が閉路して、第１副回路の降圧装置は介さず、該スイッチ部を介して直接電力が無瞬断で負荷に供給される無瞬断バックアップ電源。