JP2004064996A

JP2004064996A - Power supply device

Info

Publication number: JP2004064996A
Application number: JP2003206998A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Aihara; 相原　展行; Takeshi Onaka; 尾中　　猛; Kiichi Tokunaga; 徳永　紀一; Kenichi Onda; 恩田　謙一; Satoru Masuyama; 増山　　悟; Juichi Maeba; 前場　重一
Original assignee: Hitachi Computer Peripherals Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: JP3873043B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a DC power supply device of high reliability by converting an AC input into DC power to be supplied to a load. <P>SOLUTION: The DC power supply device is provided with an AC/DC converter 1 inputting AC power converted into DC power to output it, a DC/DC converter 2 inputting the DC power while controlling the input DC power so as to obtain a level of output voltage equal to that of the voltage used in a load 5 to be supplied to the load 5, a DC converter 3 connected to the input of the DC/DC converter 2, and a DC power accumulating means 4 supplying the power to the DC/DC converter 2 through the DC converter 3. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流入力を直流電力に変換し負荷に供給する電源装置に関し、特に無停電機能を持った電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディスクアレイ装置のような通信・情報機器では、商用の交流入力を受電して、ＡＣ／ＤＣコンバータで機器内負荷に要求される所望直流電圧に変換して、供給する。機器内電源の信頼性向上のため、ＡＣ／ＤＣコンバータが並列冗長運転される。又、商用の交流に対する信頼性向上のため、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力を２系統の交流から得る。更に、商用の交流入力に対する高信頼化を実現するため、無停電電源装置（以下ＵＰＳという）を外付けした電源構成が採られる。接続されるＵＰＳの主回路は、ＡＣ／ＤＣコンバータ，バッテリー，インバータと切替ＳＷで構成され、通常時はＡＣ／ＤＣコンバータにてバッテリーを充電しながらインバータに直流電力を供給し、インバータにより安定した交流電力に変換して、通信・情報機器に供給する。交流入力の停電時には、バッテリーの直流電力をインバータにより交流電力に変換して供給し、ＵＰＳ内部の機器異常が発生した場合には、バイパスに切り替えて交流入力を直接に通信・情報機器に供給する。なお、上記従来技術の具体例としては、特開平７−１９４１１８　号公報に記載の電源装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電源構成では、通常動作時においてＵＰＳ内部の電力変換が２段、更に通信・情報機器側で交流電力を直流電力に変換するコンバータがあり、３段の電力変換を要しており、変換効率を悪くしている。更に、重複した機能のコンバータを多段接続して構成しているので、電源装置の容積が大きく、コストも高くなる。また、通信・情報機器の多様化にともなって電源装置はワイドレンジの入力対応が多く、ユーザー側において入力電圧を意識せず機器が選択できるが、外付けＵＰＳを接続する場合は、入出力電圧仕様が固定であるため、ユーザー環境に適した入力電圧仕様の物を選択しなければならないと言う問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を考慮してためされたものであり、本発明による電源装置は、交流電力を入力し、交流電力を直流電力に変換して、直流電力を出力する
ＡＣ／ＤＣコンバータと、直流電力を入力し、入力された直流電力を、出力電圧の大きさが負荷で使用される電圧の大きさになるように制御しながら負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力に接続されるＤＣコンバータと、ＤＣコンバータを介してＤＣ／ＤＣコンバータに電力を供給する直流電力蓄積手段と、を有する。
【０００５】
本発明によれば、無停電機能を有する高信頼の直流電源装置を実現できる。
【０００６】
好ましくは、ＤＣコンバータは、直流電力蓄積手段から入力される電力を、出力電圧が直流電力蓄積手段の電圧よりも昇圧されるように制御しながら、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力へ出力する。このような、ＤＣコンバータの好ましい構成は、交流端子と、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力に接続される直流端子とを有する第１のコンバータと、第１のコンバータの交流端子に接続される高電圧側巻き線と、低電圧側巻き線とを有する変圧器と、低電圧側巻き線に接続される交流端子と、直流電力蓄積手段に接続される直流端子とを有する第２のコンバータと、を備える構成である。このような構成によれば、直流電力蓄積手段の電圧の大きさとＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧すなわちＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧の大きさとが異なる場合でも、直流電力蓄積手段の充電及び放電が可能になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施例である電源装置である。本電源装置は、入力した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ１，バッテリー４，バッテリー４の直流電力をＡＣ／ＤＣコンバータ１の直流出力電圧と同程度の直流電圧に変換するＤＣコンバータ３，ＡＣ／ＤＣコンバータ１或はＤＣコンバータ３の直流出力電力を負荷５に要求される直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２を備える。ＡＣ／ＤＣコンバータ１としては、ダイオードブリッジ整流回路，図９のような半導体スイッチング素子を有するブリッジコンバータ及び位相整流回路などが適用できる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２としては、図１０に示す１石フォワードコンバータなどが適用できる。ＡＣ／ＤＣコンバータ１とＤＣコンバータ３からＤＣ／ＤＣコンバータ２に直流電力を供給することにより、交流入力の事故時にもＤＣ／ＤＣコンバータ２から負荷５に安定した電力を供給できる。なお、ＤＣコンバータ３の主回路は、バッテリー４の比較的低い直流電圧　（例えば４０〜５０Ｖ程度）を、バッテリー４の直流電圧よりも高いＡＣ／ＤＣコンバータ１の直流出力電圧の大きさ（例えば３００〜４００Ｖ程度）まで昇圧するためや、アース電位の分離及び利用率向上等のために、コンバータ３２ａ，変圧器３２ｃとコンバータ３２ｂで構成する。すなわち、ＤＣコンバータ３においては、コンバータ３２ｂの直流端子にバッテリー４が接続され、コンバータ
３２ｂの交流端子が変圧器３２ｃの低電圧側巻き線に接続される。さらに、変圧器３２ｃの高電圧側巻き線がコンバータ３２ａの交流端子に接続され、コンバータ３２ａの直流端子が、ＡＣ／ＤＣコンバータ１の直流出力及びＤＣ／ＤＣコンバータ２の直流入力に接続される。コンバータ３２ａ，３２ｂには、図９に示すようなブリッジコンバータ等が適用できる。
【０００８】
通常時において、ＡＣ／ＤＣコンバータ１は商用１００Ｖ，２００Ｖのような交流電力を入力し、入力された交流電力を直流電力に変換して出力する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１から出力される直流電圧は、交流入力電圧の実効値よりも高い（例えば３００〜４００Ｖ）。ＡＣ／ＤＣコンバータ１からの直流出力電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２に入力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、入力された直流電力を、出力直流電圧の大きさが負荷５が使用する電圧値になるように制御しながら、負荷５に供給する。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ１の直流出力電力はコンバータ３２ａの直流端子に入力される。コンバータ３２ａは、ＤＣ／ＡＣコンバータすなわちインバータとして動作し、入力された直流電力を半導体スイッチング素子のオン・オフにより交流電力に変換し、交流電力を変圧器３２ｃの高電圧側巻き線に出力する。変圧器３２ｃは、入力された交流電力を、高電圧側巻き線に印加された交流電圧を降圧して、低電圧側巻き線に出力する。低電圧側巻き線に出力される交流電力はコンバータ３２ｂの交流端子に入力される。コンバータ３２ｂは、ＡＣ／ＤＣコンバータとして動作し、入力された交流電力をダイオード整流及び半導体スイッチング素子のオン・オフにより直流電力に変換し直流端子から出力する。コンバータ３２ｂから出力された直流電力が、バッテリー４に充電され貯蔵される。すなわち、ＤＣコンバータ３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１から直流電力を入力し、ＤＣコンバータ３の出力電圧がＡＣ／ＤＣコンバータ１の出力側の電圧よりも降圧されるように制御しながら、ＡＣ／ＤＣコンバータ１からの直流入力電力を出力し、出力直流電力によりバッテリー４を充電して、バッテリー４に直流電力を蓄積する。
【０００９】
一方、停電などによりＡＣ／ＤＣコンバータ１が負荷の消費電力を十分あるいはまったく供給できない場合には、バッテリー４からコンバータ３２ｂの直流端子に直流電力を入力する。コンバータ３２ｂは、ＤＣ／ＡＣコンバータすなわちインバータとして動作し、入力された直流電力を半導体スイッチング素子のオン・オフにより交流電力に変換して、交流電力を変圧器３２ｃの低電圧側巻き線に出力する。変圧器３２ｃは、入力された直流電力を、低電圧側巻き線に印加される交流電圧を昇圧して、高電圧側巻き線に出力する。高電圧側巻き線に出力される交流電力はコンバータ３２ａの交流端子に入力される。コンバータ３２ａは、ＡＣ／ＤＣコンバータとして動作し、交流入力電力をダイオード整流及び半導体スイッチング素子のオン・オフにより直流電力に変換して直流端子から出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、コンバータ３２ａからの直流出力電力を入力し、入力された直流電力を、直流出力電圧の大きさを負荷５で使用される電圧値に制御しながら、負荷５に出力する。すなわち、ＤＣコンバータ３は、ＤＣコンバータ３の直流出力電圧がバッテリー４の直流電圧より昇圧されるように制御しながら、バッテリー４の放電する直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力へ出力する。
【００１０】
上記のように、図１の実施例によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力の直流電圧をＤＣコンバータ３によりバックアップする直流の無停電電源システムとすることができるので信頼性を向上でき、重複した機能の電力変換部を持たないので小型，低コスト化や変換効率の向上が実現できる。また、ＤＣコンバータ３は、半導体スイッチング素子を備えるコンバータ３２ａ及び３２ｂと変圧器３２ｃを備えているので、バッテリー４の電圧の大きさとＡＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧の大きさとが大幅に異なる場合でも、バッテリー４の充電及び放電が可能になり、かつ少ない電力損失で、バッテリーの電圧値とＡＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧値との間の電圧値の変換が可能になる。従って、本実施例によれば、信頼性が高くかつ低損失の電源装置を実現できる。なお、本実施例におけるバッテリー４の代わりに、各種の二次電池及び一次電池，並びにコンデンサや電気二重層など、種々の直流電力蓄積手段を適用することができる。
【００１１】
図２は、本発明の第２の実施例である電源装置を示す。本電源装置において、図１の実施例と異なる点は、交流入力に接続され、交流入力から入力された交流電力を直流電力に変換する充電器６を備え、充電器６により交流入力から得られる直流電力によりバッテリー４が充電される点である。このため、ＤＣコンバータ３によるバッテリー４の充電機能は不要である。従って、ＤＣコンバータ３は、通常時においては動作せず、停電時に図１の実施例と同様に動作する。図２の実施例によれば、ＤＣコンバータ３の電力変換を一方向とした単機能とすることができるので更に信頼性を向上でき、小型，低コスト化や変換効率の向上も実現できる。なお、充電器６としては、図９に示す回路やダイオードブリッジ整流器などが適用できる。また、ＤＣコンバータ３のバッテリー充電器機能が不要なので、コンバータ３２ａを簡単なダイオード整流器としてもよく、この場合は回路が簡単化される。
【００１２】
図３は、図２の実施例のさらに詳細な構成を示す。ＡＣ／ＤＣコンバータ１は、制御回路１１，停電検出信号回路１１ａと力率改善機能を有す主回路１２で構成され、商用の交流入力を受電し、直流電力を出力する。制御回路１１は、動作指令であるＯＮ／ＯＦＦ信号（オン・オフ信号）に応じて主回路１２例えば図９の回路の半導体スイッチング素子をオン・オフ駆動し、ＡＣ／ＤＣコンバータ１の出力を所定の直流電圧に制御することは勿論であるが、力率改善機能を持ち交流入力の高調波電流の抑制制御も行う。停電検出信号回路１１ａは、交流入力を監視して事故等を検出する機能を備え、停電検出時には停電検出信号を形成してＤＣコンバータ３に印加する。すなわち、停電検出回路１１ａは、交流入力電圧の大きさを参照電圧と比較し、参照電圧より交流入力電圧がちいさくなったときに停電検出信号をＤＣコンバータ３へ送出する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、制御回路２１と主回路２２で構成される。制御回路２１は、動作指令のＯＮ／ＯＦＦ信号に応じて主回路２２（例えば図１０の回路）の半導体スイッチング素子をオン・オフ駆動し、主回路２２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１やＤＣコンバータ３から供給された直流電力を負荷５が要求する直流電力に変換して、負荷５に供給する。ＤＣコンバータ３は、制御回路３１，主回路３２と動作信号形成回路３３で構成される。動作信号形成回路３３は、停電検出信号と動作指令を入力し、停電検出回路１１ａから停電検出信号を受けた時に入力した動作指令を制御回路３１へ送出し、停電検出信号が入力されない通常時は動作指令を送出しない。本実施例では、動作信号形成回路３３において、ＡＮＤ回路を用いている。通常時、　ＡＮＤ回路への停電検出信号入力はｈｉｇｈレベル（１）であるから、ＡＮＤ回路の出力は、動作指令がＯＮ（１，ｈｉｇｈレベル）の場合にはｈｉｇｈレベル（１）すなわちＯＮとなり、動作指令がＯＦＦ（０，ｌｏｗ　レベル）の場合にはｌｏｗ　レベル（０）すなわちＯＦＦとなる。すなわち、動作信号形成回路３３の出力は、動作指令のＯＮ／ＯＦＦ信号と同様のＯＮ／ＯＦＦ信号となる。また、停電時、停電検出信号はｌｏｗ　レベル（０）となるので、ＡＮＤ回路の出力は動作指令のＯＮ／ＯＦＦ信号のいずれに対してもｌｏｗ　レベル（０）となり、ＡＮＤ回路から動作指令信号に対応した信号が出力されない。交流入力が停電して停電検出信号が印加されると、制御回路３１は動作信号形成回路３３が送出するＯＮ／ＯＦＦ信号を入力して、主回路３２の半導体スイッチング素子をオン・オフ駆動する。これにより、主回路３２はバッテリー４の直流電力をＡＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧と同程度の直流電圧に変換してＤＣ／ＤＣコンバータ２に供給する。充電器６は、制御回路６１と主回路６２で構成される。制御回路６１は、動作指令のＯＮ／ＯＦＦ信号を入力して主回路６２の半導体スイッチング素子をオン・オフ駆動する。これにより、主回路６２は、交流入力を直流電力に変換し、とバッテリーの充電状態に応じた電圧または電流によりバッテリー４を充電する。図３の電源装置によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力の直流電圧をＤＣコンバータ３によりバックアップした直流無停電電源装置とすることができるので信頼性を向上でき、また重複した機能の電力変換部を持たないので小型，低コスト化や変換効率の向上を図れる電源装置を実現できる。
【００１３】
図４に本発明の第３の実施例である電源装置を示す。図４において、図３と同一記号を付けたコンバータ等の回路構成要素は、図２や図３に示した実施例と同様の回路構成要素を示す。図４の実施例は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１，ＤＣ／
ＤＣコンバータ２、及びＤＣコンバータ３において、それぞれ複数の単位のＡＣ／ＤＣコンバータ，複数の単位のＤＣ／ＤＣコンバータ、及び複数の単位のＤＣコンバータが並列接続される。単位のＡＣ／ＤＣコンバータ，単位のＤＣ／ＤＣコンバータと単位のＤＣコンバータは、１ケースに回路が内蔵されたり１基板上に回路が搭載されるモジュール単位あるいは半導体集積回路で構成し、負荷容量，用途に合わせ、並列接続数を設定する。回路動作は、図３の実施例と同様である。また、単位のＤＣコンバータの各回路構成要素もモジュール単位で構成し、負荷容量や用途に合わせて並列接続数を設定する。図４のように、各々の回路構成要素毎に並列多重化した構成では、いずれかの単位の回路構成要素が故障した時にも負荷５に安定に電力を供給できる。また単位の回路構成要素の保守交換時にも、電源装置を停止させることなく交換作業が可能である。図４の実施例によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力の直流電圧をＤＣコンバータ３によりバックアップした直流無停電電源装置とすることができ、しかも回路構成要素の多重化で一層信頼性を向上し、しかも必要容量，用途に合わせ回路構成要素の並列接続数を変えることにより簡単に電力容量を変えることができる電源装置を実現できる。
【００１４】
図５は本発明の第４の実施例である電源装置を示す。図２や図３に示した実施例の構成よりなる電源ユニットを並列多重化した電源構成である。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、並列動作を可能とする機能を有するものとする。図５のように多重化した構成では、いずれかの電源ユニットが故障した時にも負荷５に安定に電力を供給でき、また電源ユニットの保守交換時にも、電源装置を停止させることなく交換作業が可能である。また、電源ユニット毎に充電器及びバッテリーを備えているので、一部の充電器あるいは一部のバッテリーが故障しても、負荷への電力供給を継続することができる。従って、充電器及びバッテリーの故障に対する信頼性も向上する。更に、各電源ユニットの充電器６とバッテリー４を共通化して、１台のバッテリーから各電源ユニットのＤＣコンバータ３に共通に直流電力を供給することも可能である。
【００１５】
図６に本発明の第５の実施例である電源装置を示す。図６において、図３と同一記号を付けたコンバータ等の回路構成要素は、図２や図３に示した実施例と同様の回路構成要素を示す。図６の実施例では、図２や図３の実施例と異なり、ＡＣ／ＤＣコンバータ１の直流出力に、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の直流入力が接続され、さらにＤＣ／ＤＣコンバータ７の直流出力にＤＣ／ＤＣコンバータ８の直流入力が接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は単位のＤＣ／ＤＣコンバータが複数並列接続されて多重化されたものである。各単位のＤＣ／ＤＣコンバータは共通した直流入力と共通した直流出力を有し、共通した直流出力が負荷に接続され、上記のように共通した直流入力がＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力に接続される。また、ＤＣコンバータ３の直流端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の直流出力及びＤＣ／ＤＣコンバータ８の共通した直流入力に接続される。
【００１６】
図６において、ＡＣ／ＤＣコンバータ１は交流入力から交流電力を入力し、入力された交流電力を、出力電圧の大きさを第１の直流電圧に制御しながら、直流電力に変換して、ＤＣ／ＤＣコンバータ７に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、入力された第１の直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の直流出力電圧を第１の直流電圧より電圧の低い第２の直流電圧に制御しながら、ＤＣ／ＤＣコンバータ８に出力して供給する。ＤＣコンバータ３は、バッテリーに蓄積された直流電力を、ＤＣコンバータ３の出力電圧を第２の直流電圧程度の電圧に制御しながら、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力側に出力して供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７やＤＣコンバータ３から供給された直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の直流出力電圧の大きさを負荷５が使用する直流電圧に制御しながら、負荷５に供給する。なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ１，ＤＣ／
ＤＣコンバータ７，ＤＣコンバータ３や充電器６，バッテリー４の各部分を図４や図５に示した実施例のように多重化できることは勿論である。また、充電器６やバッテリー４の部分を電源装置外に備える電源構成にしてもよい。図６の実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の入力電圧を第１の直流電圧より低くできるので、多重化したＤＣ／ＤＣコンバータ８の保守交換がより安全に可能である。
【００１７】
図７に本発明の第６の実施例である電源装置を示す。図７において、図６と同一記号を付けたコンバータ等の回路構成要素は、図６と同一である。図７は、図６に示したＤＣ／ＤＣコンバータ８における複数の単位のＤＣ／ＤＣコンバータを、複数の群（単位ＤＣ／ＤＣコンバータ群）８ａ及び８ｂに分けている。単位ＤＣ／ＤＣコンバータ群８ａ及び８ｂは、それぞれ各群に属する複数の単位ＤＣ／ＤＣコンバータに共通した直流入力及び共通した直流出力を有する。単位ＤＣ／ＤＣコンバータ群８ａ及び８ｂの各々の共通した直流出力は共にＤＣ／ＤＣコンバータ７の直流出力に接続される。また、単位ＤＣ／ＤＣコンバータ群８ａ及び８ｂの各々の共通した直流出力は、負荷５を構成する独立した負荷部分である負荷５ａ及び５ｂにそれぞれ接続される。図７の実施例では、単位ＤＣ／ＤＣコンバータ群８ａ，８ｂの各々において複数の単位ＤＣ／ＤＣコンバータが並列多重化されている。従って、いずれの負荷についても、１つの単位ＤＣ／ＤＣコンバータが故障しても他の単位ＤＣ／ＤＣコンバータによって電力を供給し続けることができる。従って、高い信頼性で複数の負荷に電力を供給する電源装置が実現できる。
【００１８】
図８は本発明の第７の実施例である電源装置を示す。図８において、図６と同一記号を付けたコンバータ等の回路構成要素は、図６と同一である。図８の実施例では、図６に示したＤＣ／ＤＣコンバータ８として複数の単位ＤＣ／ＤＣコンバータ８ｃを備える。各単位ＤＣ／ＤＣコンバータ８ｃの直流入力はＤＣ／ＤＣコンバータ７の直流出力に接続される。各単位ＤＣ／ＤＣコンバータ８ｃの直流出力は、負荷５を構成する互いに独立した負荷部分に接続される。本実施例では、各単位ＤＣ／ＤＣコンバータ８ｃの出力電圧や出力電力を負荷に合わせて独立に調整することができる。従って、消費電力や使用電圧が異なる複数の負荷に対し、信頼性の高い電力供給を行うことができる電源装置を実現できる。
【００１９】
なお、第２〜第７の実施例の説明では、ＤＣコンバータ３は、電力変換をバッテリーからＤＣ／ＤＣコンバータ側への一方向とした単機能としている。しかし、ＤＣコンバータ３は、双方向への電力伝送を可能とするコンバータを利用して、充電器とともにバッテリーを充電してもよい。特に、図６の実施例では、双方向への電力伝送を可能とするＤＣコンバータを用い、交流入力の正常時は前段
ＤＣ／ＤＣコンバータ７から直流電力を得てバッテリー４を充電し、交流入力の停電時はバッテリー４から後段ＤＣ／ＤＣコンバータ８に直流電圧を供給する電源装置とすることも可能である。また、各回路構成要素の並列数や負荷部分の個数は、図に記載のもののみならず、任意でよい。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、高い信頼性で負荷に直流電力を供給できる電源装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例。
【図２】本発明の第２の実施例。
【図３】本発明の第２の実施例の詳細な構成。
【図４】本発明の第３の実施例。
【図５】本発明の第４の実施例。
【図６】本発明の第５の実施例。
【図７】本発明の第６の実施例。
【図８】本発明の第７の実施例。
【図９】ブリッジ型のコンバータの一例。
【図１０】１石フォワードコンバータの一例。
【符号の説明】
１，９…ＡＣ／ＤＣコンバータ、２，７，８，８ａ，８ｂ，８ｃ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…ＤＣコンバータ、４…バッテリー、５，５ａ，５ｂ，５ｃ，
５ｄ…負荷、６…充電器、３２ａ，３２ｂ…コンバータ、３２ｃ…変圧器。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power supply device that converts an AC input into DC power and supplies the DC power to a load, and particularly to a power supply device having an uninterruptible power supply function.
[0002]
[Prior art]
In a communication / information device such as a disk array device, a commercial AC input is received, converted into a desired DC voltage required for a load in the device by an AC / DC converter, and supplied. In order to improve the reliability of the power supply in the device, the AC / DC converter is operated in a parallel redundant operation. Further, in order to improve the reliability with respect to commercial AC, the input of the AC / DC converter is obtained from two systems of AC. Further, in order to realize high reliability for commercial AC input, a power supply configuration in which an uninterruptible power supply (hereinafter referred to as UPS) is externally employed is employed. The main circuit of the connected UPS is composed of an AC / DC converter, a battery, an inverter and a switching switch. Normally, the DC / DC converter supplies DC power to the inverter while charging the battery with the AC / DC converter. It is converted to AC power and supplied to communication and information equipment. At the time of AC input power failure, the DC power of the battery is converted into AC power by an inverter and supplied. If a device abnormality occurs in the UPS, the UPS is switched to bypass and the AC input is directly supplied to communication / information devices. . As a specific example of the above-mentioned prior art, there is a power supply device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-194118.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional power supply configuration, during normal operation, power conversion inside the UPS is two-stage, and there is a converter that converts AC power to DC power on the communication / information device side, and three-stage power conversion is required. Inefficient. Further, since converters having overlapping functions are connected in multiple stages, the capacity of the power supply device is large and the cost is high. In addition, with the diversification of communication and information equipment, power supplies are often compatible with a wide range of inputs, and the user can select the equipment without being conscious of the input voltage. Since the specification is fixed, there is a problem that an input voltage specification suitable for the user environment must be selected.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in consideration of the above problems, and a power supply device according to the present invention includes an AC / DC converter that inputs AC power, converts AC power into DC power, and outputs DC power. A DC / DC converter that inputs DC power and supplies the input DC power to the load while controlling the magnitude of the output voltage to be the magnitude of the voltage used in the load; and a DC / DC converter. And a DC power storage means for supplying power to the DC / DC converter via the DC converter.
[0005]
According to the present invention, a highly reliable DC power supply having an uninterruptible function can be realized.
[0006]
Preferably, the DC converter outputs the power input from the DC power storage means to the input of the DC / DC converter while controlling the output voltage to be higher than the voltage of the DC power storage means. Such a preferred configuration of the DC converter includes a first converter having an AC terminal and a DC terminal connected to an input of the DC / DC converter, and a high voltage side connected to the AC terminal of the first converter. A second converter having a transformer having a winding and a low voltage side winding, an AC terminal connected to the low voltage side winding, and a DC terminal connected to the DC power storage means; Configuration. According to such a configuration, even when the magnitude of the voltage of the DC power storage means is different from the magnitude of the output voltage of the AC / DC converter, that is, the magnitude of the input voltage of the DC / DC converter, charging and discharging of the DC power storage means can be performed. become.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a power supply device according to a first embodiment of the present invention. This power supply device is an AC / DC converter that converts input AC power into DC power, a DC converter that converts DC power of batteries 4 and 4 into a DC voltage substantially equal to a DC output voltage of AC / DC converter 1. 3, a DC / DC converter 2 for converting the DC output power of the AC / DC converter 1 or the DC converter 3 into a DC voltage required for the load 5. As the AC / DC converter 1, a diode bridge rectifier circuit, a bridge converter having a semiconductor switching element as shown in FIG. 9, a phase rectifier circuit, and the like can be applied. Further, as the DC / DC converter 2, a one-stone forward converter shown in FIG. By supplying DC power from the AC / DC converter 1 and the DC converter 3 to the DC / DC converter 2, stable power can be supplied from the DC / DC converter 2 to the load 5 even in the event of an AC input accident. The main circuit of the DC converter 3 converts the relatively low DC voltage of the battery 4 (for example, about 40 to 50 V) to the magnitude of the DC output voltage of the AC / DC converter 1 higher than the DC voltage of the battery 4 (for example, 300 The converter 32a, the transformer 32c, and the converter 32b are provided for boosting the voltage to about 400 V), separating the ground potential, improving the utilization factor, and the like. That is, in the DC converter 3, the battery 4 is connected to the DC terminal of the converter 32b, and the AC terminal of the converter 32b is connected to the low-voltage winding of the transformer 32c. Further, the high voltage side winding of the transformer 32c is connected to the AC terminal of the converter 32a, and the DC terminal of the converter 32a is connected to the DC output of the AC / DC converter 1 and the DC input of the DC / DC converter 2. A bridge converter as shown in FIG. 9 or the like can be applied to the converters 32a and 32b.
[0008]
During normal times, the AC / DC converter 1 inputs AC power such as commercial 100V or 200V, converts the input AC power into DC power, and outputs the DC power. The DC voltage output from the AC / DC converter 1 is higher than the effective value of the AC input voltage (for example, 300 to 400 V). DC output power from the AC / DC converter 1 is input to the DC / DC converter 2. The DC / DC converter 2 supplies the input DC power to the load 5 while controlling the magnitude of the output DC voltage to be a voltage value used by the load 5. The DC output power of the AC / DC converter 1 is input to a DC terminal of the converter 32a. Converter 32a operates as a DC / AC converter, that is, an inverter, converts input DC power into AC power by turning on / off a semiconductor switching element, and outputs AC power to a high-voltage side winding of transformer 32c. The transformer 32c reduces the input AC power by reducing the AC voltage applied to the high-voltage side winding and outputs it to the low-voltage side winding. The AC power output to the low voltage side winding is input to the AC terminal of the converter 32b. The converter 32b operates as an AC / DC converter, converts input AC power into DC power by diode rectification and ON / OFF of a semiconductor switching element, and outputs the DC power from a DC terminal. The DC power output from the converter 32b is charged and stored in the battery 4. That is, the DC converter 3 receives the DC power from the AC / DC converter 1 and controls the AC / DC converter so that the output voltage of the DC converter 3 is made lower than the voltage on the output side of the AC / DC converter 1. The DC input power from the converter 1 is output, the battery 4 is charged with the output DC power, and the DC power is stored in the battery 4.
[0009]
On the other hand, when the AC / DC converter 1 cannot supply sufficient or no power consumption of the load due to a power failure or the like, DC power is input from the battery 4 to the DC terminal of the converter 32b. Converter 32b operates as a DC / AC converter, that is, an inverter, converts input DC power into AC power by turning on / off a semiconductor switching element, and outputs the AC power to a low-voltage side winding of transformer 32c. . The transformer 32c boosts the input DC power to an AC voltage applied to the low-voltage side winding and outputs it to the high-voltage side winding. The AC power output to the high voltage side winding is input to the AC terminal of the converter 32a. The converter 32a operates as an AC / DC converter, converts AC input power into DC power by diode rectification and ON / OFF of a semiconductor switching element, and outputs the DC power from a DC terminal. The DC / DC converter 2 receives the DC output power from the converter 32a and outputs the input DC power to the load 5 while controlling the magnitude of the DC output voltage to a voltage value used by the load 5. . That is, the DC converter 3 outputs the DC power discharged from the battery 4 to the input of the DC / DC converter 2 while controlling the DC output voltage of the DC converter 3 to be higher than the DC voltage of the battery 4.
[0010]
As described above, according to the embodiment of FIG. 1, a DC uninterruptible power supply system in which the DC voltage of the input of the DC / DC converter 2 is backed up by the DC converter 3 can be provided, so that the reliability can be improved and Since it does not have a power conversion unit having the function described above, it is possible to realize compactness, cost reduction and improvement of conversion efficiency. Since the DC converter 3 includes the converters 32a and 32b including the semiconductor switching elements and the transformer 32c, the magnitude of the voltage of the battery 4 and the output voltage of the AC / DC converter 1, that is, the input voltage of the DC / DC converter 2, And the battery 4 can be charged and discharged, and the conversion of the voltage value between the battery voltage value and the output voltage value of the AC / DC converter 1 can be performed with little power loss. Will be possible. Therefore, according to the present embodiment, a highly reliable and low-loss power supply device can be realized. Instead of the battery 4 in the present embodiment, various DC power storage means such as various secondary batteries and primary batteries, and capacitors and electric double layers can be applied.
[0011]
FIG. 2 shows a power supply device according to a second embodiment of the present invention. The present power supply device is different from the embodiment of FIG. 1 in that a charger 6 is connected to an AC input and converts AC power input from the AC input into DC power, and is obtained from the AC input by the charger 6. The point is that the battery 4 is charged by DC power. Therefore, the function of charging the battery 4 by the DC converter 3 is unnecessary. Therefore, the DC converter 3 does not operate in the normal state, and operates in the same manner as the embodiment of FIG. According to the embodiment of FIG. 2, since the power conversion of the DC converter 3 can be performed in a single function in one direction, reliability can be further improved, and downsizing, cost reduction, and improvement in conversion efficiency can be realized. In addition, as the charger 6, the circuit shown in FIG. 9, a diode bridge rectifier, or the like can be applied. Further, since the battery charger function of the DC converter 3 is unnecessary, the converter 32a may be a simple diode rectifier, and in this case, the circuit is simplified.
[0012]
FIG. 3 shows a more detailed configuration of the embodiment of FIG. The AC / DC converter 1 includes a control circuit 11, a power failure detection signal circuit 11a, and a main circuit 12 having a power factor improving function, receives a commercial AC input, and outputs DC power. The control circuit 11 drives the main circuit 12, for example, the semiconductor switching element of the circuit of FIG. Of course, it has a power factor improving function and also controls the harmonic current of the AC input. The power failure detection signal circuit 11a has a function of monitoring an AC input and detecting an accident or the like. When a power failure is detected, a power failure detection signal is formed and applied to the DC converter 3. That is, the power failure detection circuit 11a compares the magnitude of the AC input voltage with the reference voltage, and sends a power failure detection signal to the DC converter 3 when the AC input voltage becomes smaller than the reference voltage. The DC / DC converter 2 includes a control circuit 21 and a main circuit 22. The control circuit 21 drives the semiconductor switching elements of the main circuit 22 (for example, the circuit of FIG. 10) on and off according to the ON / OFF signal of the operation command. Is converted into DC power required by the load 5 and supplied to the load 5. The DC converter 3 includes a control circuit 31, a main circuit 32, and an operation signal forming circuit 33. The operation signal forming circuit 33 inputs the power failure detection signal and the operation command, sends out the operation command input when the power failure detection signal is received from the power failure detection circuit 11a to the control circuit 31, and operates normally when the power failure detection signal is not input. Does not send operation commands. In this embodiment, the operation signal forming circuit 33 uses an AND circuit. Normally, the power failure detection signal input to the AND circuit is at the high level (1), so that the output of the AND circuit is at the high level (1), that is, ON when the operation command is ON (1, high level), When the operation command is OFF (0, low level), it becomes low level (0), that is, OFF. That is, the output of the operation signal forming circuit 33 is an ON / OFF signal similar to the ON / OFF signal of the operation command. Also, at the time of a power failure, the power failure detection signal becomes low level (0), so that the output of the AND circuit becomes low level (0) in response to both the ON / OFF signal of the operation command, and the AND circuit outputs the operation command signal to the operation command signal. The corresponding signal is not output. When the AC input is interrupted and a power failure detection signal is applied, the control circuit 31 inputs an ON / OFF signal sent from the operation signal forming circuit 33 to drive the semiconductor switching element of the main circuit 32 on and off. Thus, the main circuit 32 converts the DC power of the battery 4 into a DC voltage substantially equal to the output voltage of the AC / DC converter 1 and supplies the DC voltage to the DC / DC converter 2. The charger 6 includes a control circuit 61 and a main circuit 62. The control circuit 61 inputs the ON / OFF signal of the operation command and drives the semiconductor switching elements of the main circuit 62 on / off. Thus, the main circuit 62 converts the AC input into DC power, and charges the battery 4 with a voltage or current according to the state of charge of the battery. According to the power supply device of FIG. 3, a DC uninterruptible power supply device in which the DC voltage of the input of the DC / DC converter 2 is backed up by the DC converter 3 can be provided, so that the reliability can be improved and the power conversion of the redundant function can be achieved. Since there are no parts, it is possible to realize a power supply device that can be reduced in size and cost and improve conversion efficiency.
[0013]
FIG. 4 shows a power supply device according to a third embodiment of the present invention. In FIG. 4, circuit components such as converters with the same reference numerals as those in FIG. 3 indicate the same circuit components as those in the embodiment shown in FIGS. 2 and 3. FIG. 4 shows an AC / DC converter 1 and a DC / DC converter.
In the DC converter 2 and the DC converter 3, a plurality of units of AC / DC converters, a plurality of units of DC / DC converters, and a plurality of units of DC converters are connected in parallel. The unit AC / DC converter, the unit DC / DC converter and the unit DC converter are constituted by a module unit or a semiconductor integrated circuit in which a circuit is built in one case or a circuit is mounted on one substrate, and a load capacity, Set the number of parallel connections according to the application. The circuit operation is the same as in the embodiment of FIG. Also, each circuit component of the unit DC converter is also configured in units of modules, and the number of parallel connections is set according to the load capacity and application. As shown in FIG. 4, in the configuration in which each circuit component is multiplexed in parallel, power can be stably supplied to the load 5 even when any one of the circuit components fails. Also, when performing maintenance replacement of the circuit components of the unit, replacement work can be performed without stopping the power supply device. According to the embodiment of FIG. 4, a DC uninterruptible power supply can be provided in which the DC voltage of the input of the DC / DC converter 2 is backed up by the DC converter 3, and the reliability is further improved by multiplexing circuit components. In addition, it is possible to realize a power supply device whose power capacity can be easily changed by changing the number of circuit components connected in parallel according to the required capacity and application.
[0014]
FIG. 5 shows a power supply device according to a fourth embodiment of the present invention. This is a power supply configuration in which power supply units having the configuration of the embodiment shown in FIGS. 2 and 3 are multiplexed in parallel. Note that the DC / DC converter 2 has a function that enables parallel operation. In the multiplexed configuration as shown in FIG. 5, power can be stably supplied to the load 5 even when one of the power supply units fails, and replacement work can be performed without stopping the power supply unit even during maintenance replacement of the power supply unit. It is possible. Further, since the power supply unit is provided with a charger and a battery, power supply to the load can be continued even if some of the chargers or some of the batteries fail. Therefore, the reliability against the failure of the charger and the battery is also improved. Further, the charger 6 and the battery 4 of each power supply unit can be shared, and a single battery can supply common DC power to the DC converter 3 of each power supply unit.
[0015]
FIG. 6 shows a power supply device according to a fifth embodiment of the present invention. In FIG. 6, circuit components such as converters denoted by the same reference numerals as those in FIG. 3 indicate the same circuit components as those in the embodiment shown in FIGS. In the embodiment of FIG. 6, unlike the embodiments of FIGS. 2 and 3, the DC output of the AC / DC converter 1 is connected to the DC input of the DC / DC converter 7 and further to the DC output of the DC / DC converter 7. The DC input of the DC / DC converter 8 is connected. The DC / DC converter 8 is obtained by multiplexing a plurality of unit DC / DC converters connected in parallel. The DC / DC converter of each unit has a common DC input and a common DC output, the common DC output is connected to the load, and the common DC input is connected to the output of the DC / DC converter 7 as described above. You. A DC terminal of the DC converter 3 is connected to a DC output of the DC / DC converter 7 and a common DC input of the DC / DC converter 8.
[0016]
6, an AC / DC converter 1 receives AC power from an AC input, converts the input AC power into DC power while controlling the magnitude of the output voltage to a first DC voltage, and converts the DC power into DC power. / DC converter 7. The DC / DC converter 7 controls the input first DC power while controlling the DC output voltage of the DC / DC converter 7 to a second DC voltage lower than the first DC voltage. 8 for output. The DC converter 3 supplies the DC power stored in the battery to the output side of the DC / DC converter 7 while controlling the output voltage of the DC converter 3 to a voltage of about the second DC voltage. The DC / DC converter 8 controls the DC power supplied from the DC / DC converter 7 and the DC converter 3 while controlling the magnitude of the DC output voltage of the DC / DC converter 8 to the DC voltage used by the load 5. 5 The AC / DC converter 1 and the DC / DC converter
It goes without saying that the DC converter 7, the DC converter 3, the charger 6, and the battery 4 can be multiplexed as in the embodiments shown in FIGS. Further, a power supply configuration in which the charger 6 and the battery 4 are provided outside the power supply device may be adopted. In the embodiment of FIG. 6, since the input voltage of the DC / DC converter 8 can be made lower than the first DC voltage, maintenance and replacement of the multiplexed DC / DC converter 8 can be performed more safely.
[0017]
FIG. 7 shows a power supply device according to a sixth embodiment of the present invention. In FIG. 7, circuit components such as converters denoted by the same reference numerals as those in FIG. 6 are the same as those in FIG. FIG. 7 divides a plurality of units of the DC / DC converter in the DC / DC converter 8 shown in FIG. 6 into a plurality of groups (unit DC / DC converter groups) 8a and 8b. Each of the unit DC / DC converter groups 8a and 8b has a common DC input and a common DC output for a plurality of unit DC / DC converters belonging to each group. The common DC outputs of the unit DC / DC converter groups 8a and 8b are both connected to the DC output of the DC / DC converter 7. The common DC output of each of the unit DC / DC converter groups 8a and 8b is connected to loads 5a and 5b, which are independent load portions constituting the load 5, respectively. In the embodiment of FIG. 7, a plurality of unit DC / DC converters are multiplexed in parallel in each of the unit DC / DC converter groups 8a and 8b. Therefore, for any load, even if one unit DC / DC converter fails, power can be continuously supplied by another unit DC / DC converter. Therefore, a power supply device that supplies power to a plurality of loads with high reliability can be realized.
[0018]
FIG. 8 shows a power supply device according to a seventh embodiment of the present invention. 8, circuit components such as converters with the same reference numerals as those in FIG. 6 are the same as those in FIG. In the embodiment of FIG. 8, a plurality of unit DC / DC converters 8c are provided as the DC / DC converter 8 shown in FIG. The DC input of each unit DC / DC converter 8c is connected to the DC output of DC / DC converter 7. The DC output of each unit DC / DC converter 8c is connected to mutually independent load portions constituting the load 5. In this embodiment, the output voltage and output power of each unit DC / DC converter 8c can be independently adjusted according to the load. Therefore, it is possible to realize a power supply device that can supply highly reliable power to a plurality of loads having different power consumptions and operating voltages.
[0019]
In the description of the second to seventh embodiments, the DC converter 3 has a single function in which the power conversion is performed in one direction from the battery to the DC / DC converter. However, the DC converter 3 may charge the battery together with the charger using a converter that enables bidirectional power transmission. In particular, in the embodiment of FIG. 6, a DC converter capable of bidirectional power transmission is used, and when the AC input is normal, the DC power is obtained from the preceding DC / DC converter 7 to charge the battery 4, and the AC input is performed. In the event of a power outage, a power supply device that supplies a DC voltage from the battery 4 to the subsequent DC / DC converter 8 may be used. Further, the number of parallel components and the number of load portions of each circuit component are not limited to those shown in the figure, and may be arbitrary.
[0020]
【The invention's effect】
According to the present invention, a power supply device that can supply DC power to a load with high reliability can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a detailed configuration of a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an example of a bridge-type converter.
FIG. 10 shows an example of a single-stone forward converter.
[Explanation of symbols]
1, 9 AC / DC converter, 2, 7, 8, 8a, 8b, 8c DC / DC converter, 3 DC converter, 4 battery, 5, 5a, 5b, 5c,
5d: load, 6: charger, 32a, 32b: converter, 32c: transformer.

Claims

An AC / DC converter that converts an input AC voltage into a DC voltage and outputs the DC voltage to an output terminal;
A DC / DC converter having an input terminal connected to the output terminal of the AC / DC converter and controlling the input DC voltage to be a voltage value used by the load and supplying the DC voltage to the load;
A power supply device, comprising: a DC converter connected to an output terminal of the AC / DC converter and an input terminal of the DC / DC converter and transmitting power bidirectionally.