JP5073436B2 - Uninterruptible backup power supply - Google Patents
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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。 The present invention relates to an uninterruptible backup power source that supplies power by switching to a backup power source without instantaneous interruption when a main power supply fails.
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。 Conventionally, secondary batteries such as lead-acid batteries and nickel-cadmium batteries and electric double-layer capacitors have been provided as backup power supplies in order to continue supplying power to the load in the event of a power failure or voltage drop of the main power supply such as commercial power supply. It has been. These backup power supplies are normally charged by the main power supply and discharged in an emergency such as a power outage to supply power to a connected load.
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。 When such a backup power supply is used, if the main power supply supplies a stable voltage, the backup power supply 27 is connected to the output side of the diode 23a of the main circuit 21 as shown in FIG. By connecting in parallel, the backup power supply 27 is float-charged, and when the main power supply fails or the voltage drops, the backup power supply 27 is discharged and the power supply can be switched without interruption. it can.
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。 However, when the voltage of the main power source is not stably supplied, that is, when an unstabilized power source is used, it is difficult to use the backup power source shown in FIG. Will be used. In FIG. 5, a circuit in which a charger 26, a power source switch 29a of a relay circuit 29, and a backup power source 27 are connected in series on the input side of the diode 23a of the main circuit 21 is connected in parallel with the main circuit 21 and a power source switch 29a. Is connected in parallel to the main circuit 21.
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。 In the backup power supply of FIG. 5, the backup power supply 27 is charged by the main power supply via the charger 26 during normal use, and the power supply switch 29a is operated by the relay circuit 29 when the main power supply is interrupted or the voltage drops. The power source is switched from the backup power source 27 to the backup power source 27 and power is supplied from the backup power source 27 to the load. However, in the backup power source shown in FIG. It will have an adverse effect.
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。 Therefore, like the backup power supply shown in FIG. 6, a step-up / step-down DC / DC converter 25 is arranged on the input side of the diode 23a of the main circuit 21, and a backup power supply 27 is parallel to the main circuit 21 on the output side of the diode 23a. A backup power source is known that is connected to a battery and float-charged.
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。 Patent Document 1 also proposes an uninterruptible power supply as shown in FIG. In this uninterruptible power supply, a backup power supply 27 is connected to the input side of the diode 23a via a charger 26 to a main circuit 21 configured by connecting a diode 23a and a step-up / step-down DC / DC converter 25 in series. Thus, there is a method of charging the backup power supply 27 and supplying power to the load from the backup power supply 27 via the step-up / step-down DC / DC converter 25 provided on the output side of the main circuit 21 when the main power supply malfunctions. Presented. 32 and 33 are diodes.
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。 Patent Document 2 proposes a DC power supply device including the backup storage battery shown in FIG. In this DC power supply device, a main circuit 21 configured by connecting a step-up DC / DC converter 24 and a diode 23a in series in a reverse arrangement to FIG. 7 is provided between the step-up DC / DC converter 24 and the diode 23a. The backup power supply 27 is connected via the charging circuit 26a to charge the backup power supply 27. When the main power supply fails, the backup power supply 27 passes through the diode 32, the step-up / step-down DC / DC converter 25, and the diode 23b. A method for supplying power to a load is proposed.
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。 As described above, when the unstabilized power source is used as the main power source and the power source is switched without interruption, the backup power source shown in FIGS. 6 to 8 is a circuit such as a DC / DC converter in the main circuit. Components are provided. This is because the cause of failure on the main circuit increases, which causes a decrease in the reliability of the circuit itself.
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。 Therefore, in the present invention, circuit components such as a DC / DC converter provided in the main circuit that causes a decrease in reliability during normal operation are removed from the main circuit to maintain the reliability, and also during a power failure or voltage drop of the main power supply. The present invention provides a non-instantaneous backup power supply that can be switched to a backup power supply without instantaneous interruption.
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。 The present invention includes a main circuit in which a DC main power supply and a load are connected only via a diode, and a booster, a charger, and a step-down device that are branched from the input side of the diode and connected in parallel to the main circuit. And a second sub-circuit consisting of a parallel circuit of a switch unit and a backup power source that are branched from the output side of the charger and connected in parallel with the step-down device of the first sub-circuit. When the power is supplied from the DC main power source to the load only through the diode, the power is normally boosted by the booster of the first sub-circuit, and the backup power source of the second sub-circuit is charged by the charger and by the step-down device When power is restored and fluctuations in output voltage are suppressed, and the DC main power supply is interrupted or drops in voltage, power is supplied to the load from the backup power supply via the step-down device in the first subcircuit without interruption. Stability When the main power supply voltage decreases and the backup power supply decreases, the switch part of the second sub circuit is closed and the step-down device of the first sub circuit is not connected, and the switch part is not connected. is uninterrupted backup power supply power is Ru is supplied to the load without interruption directly Te.
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。
According to the uninterruptible backup power supply of the present invention, since there is no circuit component that causes a decrease in reliability such as a DC / DC converter on the main circuit, the reliability of the main circuit during normal operation is maintained. In this way, backup without interruption is possible.
Further, by connecting a sub-circuit including a DC / DC converter or the like in parallel with the main circuit, fluctuations in the output voltage with respect to fluctuations in the input voltage are suppressed.
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。
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an example of an embodiment of the present invention, where 1 is a main circuit, 2a is a first subcircuit, 2b is a second subcircuit, 2c is a control circuit, and 3a is a first on the main circuit. The diodes 3b, 3c, and 11 are second to fourth diodes for preventing backflow on each sub-circuit, 4 is a DC / DC converter for boosting as a booster, and 5 is a DC / DC for bucking as a step-down device. A DC converter, 6 is a charger, 7 is a backup power source, and is configured by connecting a number of lead storage batteries in series. 8 is a voltage detector, 9 is a relay circuit, 9a is a relay, 9b is a transistor, B is a base of the transistor, C is a collector, and E is an emitter. r1 is a relay contact as a switch unit.
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。 FIG. 2 is a diagram showing output characteristics at the time of input disconnection (assuming a power failure) when the uninterruptible backup power supply of FIG. 1 is used, and when the input gradually decreases (assuming a voltage drop). Indicates when the input is disconnected, and (b) indicates when the input gradually decreases.
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。 In the embodiment of FIG. 1, the main circuit 1 is composed only of a diode 3a between an input terminal to which a main power supply is connected and an output terminal to which a load is connected. A first sub-circuit 2a is branched and connected in parallel with the main circuit 1 on the input side of the diode 3a.
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。
In the first sub circuit 2a, a step-up DC / DC converter 4, a charger 6, a fourth diode 11, a step-down DC / DC converter 5 and a second diode 3b are connected in series. The first sub-circuit 2a has a role of firstly supplying power for charging the backup power source 7, and secondly correcting the fluctuation of the input voltage to stabilize the output voltage.
Between the fourth diode 11 of the first subcircuit 2a and the step-down DC / DC converter 5, the second subcircuit 2b is branched and connected in parallel with the first subcircuit 2a.
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。 The second sub-circuit 2b is composed of a circuit in which the contact rl of the relay 9 and the third diode 3c are connected in series and a circuit in which the backup power source 7 is connected in parallel. It is connected in parallel with the DC / DC converter 5 and supplies power from the backup power source 7 when the backup power source 7 is charged or backed up.
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。
Further, at both ends of the backup power source 7, a relay circuit 9 including a relay (RL) 9a and a transistor 9b, and a base (B) of the transistor 9b is a control circuit 2c including a voltage detector 8 for detecting the voltage of the main circuit 1. Is connected.
When the voltage detection unit 8 detects a state in which the input voltage of the main power supply has dropped below the specified voltage and the voltage of the backup power supply has dropped below the specified voltage, the voltage detection unit 8 operates the relay circuit 9 to close the contact rl. It is done.
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。
Next, the operation of the uninterruptible backup power supply in FIG. 1 will be described.
During normal use, power is supplied from the main power source connected to the input end to the load connected to the output end via the main circuit 1. Since the main circuit 1 is composed only of the backflow preventing diode 3a, the reliability is not lowered. During this time, the backup power supply 7 is charged by the charger 6, and when the backup power supply 7 is fully charged, the contact rl is in an open state, so that the main circuit is connected via the step-down DC / DC converter 5. Returned to 1. At this time, fluctuations in the output voltage are suppressed.
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。 On the other hand, when the main power supply has a voltage drop due to a power failure or for some reason, the step-down DC / DC converter 5 is supplied with power from the backup power supply 7 without interruption and supplied to the load. Then, when the voltage of the backup power supply 7 decreases and becomes a value equal to or lower than the specified voltage, the voltage detection unit 8 detects the voltage change, operates the relay circuit 9, closes the contact r1, and lowers the voltage from the backup power supply 7. Electric power is directly supplied to the load from the contact r1 without going through the DC / DC converter 5.
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。
The output characteristics will be described in detail with reference to FIG.
First, at the time of input disconnection (for example, at the time of a power failure), as shown in FIG. 2A, when the input disconnection occurs at time t0, the input voltage decreases toward 0V, but the output is DC / DC for step-down. The converter 5 is supplied with power from the backup power source 7 and continues to be supplied without interruption.
In addition, after switching to the backup power source 7 when the input voltage is lowered, the voltage detection unit 8 is not operated while the voltage is high by the backup power source 7, and the relay circuit 9 does not operate. Eventually, when the voltage of the backup power supply 7 drops due to discharge (Δt), the voltage detection unit 8 detects the voltage drop, operates the relay circuit 9, closes the contact r 1, and does not go through the step-down DC / DC converter 5. 7 is directly output via the contact r1.
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。 When the input gradually decreases, as shown in FIG. 2 (b), the input voltage gradually decreases from time t0, and with the decrease, power is gradually supplied from the backup power source 7. It continues to be supplied without interruption. Thereafter, when the input voltage reaches the detection level of the voltage detection unit 8 and the discharge voltage of the backup power supply 7 further decreases, the contact rl of the relay circuit 9 is closed, and power is supplied from the backup power supply 7 via the contact r1. Will continue.
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。
FIG. 3 shows another embodiment. The basic circuit configuration is the same as in FIG. 1, and the same reference numerals as those in FIG. In this case as well, only the diode 3 a is connected to the main circuit 1. In the first sub-circuit 2a, a charger 6 having a step-up or step-up / step-down function is connected as a step-up device / charger, and a step-down device and a diode dropper 12 in which a plurality of diodes are connected in series are connected. A MOSFET 13 is connected to the second sub circuit 2b in place of the relay contact, and its base is connected to the collector C of the transistor 9b.
Also in this embodiment, the operation is the same as in FIG. 1, and in normal use, power is supplied from the power source to the load via the main circuit 1, and the storage battery 7 is connected by the charger 6 by the first sub circuit 2a. While being charged, power is returned to the main circuit 1 via the diode dropper 12.
When the main power supply is interrupted or the voltage drops, power is supplied from the storage battery 7 to the load via the diode dropper 12 without interruption, and when the voltage of the storage battery 7 eventually decreases, the MOSFET 13 is turned on and the storage battery 7 Electric power is supplied without interruption through the MOSFET 13.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Main circuit 2a 1st subcircuit 2b 2nd subcircuit 2c Control circuit 3a Diode 3b, 3c on main circuit 2nd, 3rd diode 4 DC / DC converter 5 for step-up DC / DC converter 6 for step-down 7 Power supply for backup 8 Voltage detector 9 Relay circuit 9a Relay (RL)
9b transistor rl relay contact
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