JP5947246B2 - 電力変換装置およびそれを用いた電力変換システム - Google Patents

Description

この発明は電力変換装置およびそれを用いた電力変換システムに関し、特に、直列接続された２つのコンデンサとバッテリとの間でＤＣ／ＤＣ変換を行なう電力変換装置と、それを用いた電力変換システムに関する。

コンピュータシステムのような重要負荷に交流電力を安定的に供給する電源装置として、無停電電源装置が広く用いられている。この無停電電源装置は、商用交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電力を商用周波数の交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、商用交流電源から交流電力が正常に供給されている通常時は、コンバータで生成された直流電力をバッテリに蓄え、商用交流電源からの交流電力の供給が停止された停電時は、バッテリの直流電力をインバータに供給するＤＣ／ＤＣコンバータとを備えている。このような無停電電源装置によれば、停電が発生した場合でも、バッテリに直流電力が蓄えられている期間は、負荷の運転を継続することができる（たとえば特許文献１，２参照）。

また、負荷に対して並列接続された複数の無停電電源装置を備えた無停電電源システムも用いられている。この無停電電源システムによれば、大きな負荷を運転したり、１台の無停電電源装置が故障した場合でも負荷の運転を継続することができる。

国際公開ＷＯ２０１０／０２１０５２号公報 特開２００８−２９５２２８号公報

上記無停電電源システムにおいて、各無停電電源装置毎に１つのバッテリを設けると、装置寸法が大きくなり、装置価格が高くなるので、複数台の無停電電源装置で１つのバッテリを共用することが考えられる。

しかし、複数台の従来の無停電電源装置で１つのバッテリを共用すると、大きな循環電流が流れて無停電電源システムの故障や誤動作が発生するという問題があった（図５参照）。

それゆえに、この発明の主たる目的は、１つのバッテリを複数台で共用した場合に循環電流を低減することが可能な電力変換装置と、それを用いた電力変換システムとを提供することである。

この発明に係る電力変換装置は、直列接続された第１および第２のコンデンサとバッテリとの間でＤＣ／ＤＣ変換を行なう電力変換装置であって、第１のコンデンサの端子間に直列接続される第１および第２のトランジスタと、第２のコンデンサの端子間に直列接続される第３および第４のトランジスタと、それぞれ第１〜第４のトランジスタに逆並列に接続された第１〜第４のダイオードと、第１および第２のトランジスタ間の第１のノードとバッテリの正極との間に接続される第１のリアクトルと、第３および第４のトランジスタ間の第２のノードとバッテリの負極との間に接続される第２のリアクトルと、それぞれ第１および第２のリアクトルに流れる電流を検出する第１および第２の電流検出器と、第１および第２の電流検出器の検出値に基づいて第１〜第４のトランジスタの各々をオン／オフ制御する制御装置とを備えたものである。この制御装置は、電流指令値と第１の電流検出器の検出値との偏差に基づいて第１または第２のトランジスタをオン／オフ制御するとともに、電流指令値と第２の電流検出器の検出値との偏差に基づいて第３または第４のトランジスタをオン／オフ制御する。

好ましくは、さらに、第１および第２のコンデンサの端子間電圧の和の電圧を検出する電圧検出器を備え、制御装置は、バッテリから第１および第２のコンデンサに直流電力を供給する場合、電圧指令値と第１の電圧検出器の検出値との偏差に基づいて電流指令値を生成し、電流指令値と第１の電流検出器の検出値との偏差に基づいて第２のトランジスタをオン／オフ制御するとともに、電流指令値と第２の電流検出器の検出値との偏差に基づいて第３のトランジスタをオン／オフ制御する。

好ましくは、さらに、バッテリの端子間電圧を検出する電圧検出器を備え、制御装置は、第１および第２のコンデンサからバッテリに電力を供給する場合、電圧指令値と電圧検出器の検出値との偏差に基づいて電流指令値を生成し、電流指令値と第１の電流検出器の検出値との偏差に基づいて第１のトランジスタをオン／オフ制御するとともに、電流指令値と第２の電流検出器の検出値との偏差に基づいて第４のトランジスタをオン／オフ制御する。

この発明に係る他の電力変換装置は、直列接続された第１および第２のコンデンサとバッテリとの間でＤＣ／ＤＣ変換を行なう電力変換装置であって、第１のコンデンサの端子間に直列接続される第１および第２のトランジスタと、第２のコンデンサの端子間に直列接続される第３および第４のトランジスタと、それぞれ第１〜第４のトランジスタに逆並列に接続された第１〜第４のダイオードと、第１および第２のトランジスタ間の第１のノードとバッテリの正極との間に接続される第１のリアクトルと、第３および第４のトランジスタ間の第２のノードとバッテリの負極との間に接続される第２のリアクトルと、それぞれ第１および第２のリアクトルに流れる電流を検出する第１および第２の電流検出器と、第１または第２の電流検出器の検出値が予め定められた上限値を超えたことに応じて過電流検出信号を出力する保護回路と、第１および第２の電流検出器の検出値に基づいて第１〜第４のトランジスタの各々をオン／オフ制御し、保護回路から過電流検出信号が出力されたことに応じて第１〜第４のトランジスタをオフさせる制御回路とを備えたものである。

この発明に係るさらに他の電力変換装置は、直列接続された第１および第２のコンデンサとバッテリとの間でＤＣ／ＤＣ変換を行なう電力変換装置であって、第１のコンデンサの端子間に直列接続される第１および第２のトランジスタと、第２のコンデンサの端子間に直列接続される第３および第４のトランジスタと、それぞれ第１〜第４のトランジスタに逆並列に接続された第１〜第４のダイオードと、第１および第２のトランジスタ間の第１のノードとバッテリの正極との間に接続される第１のリアクトルと、第３および第４のトランジスタ間の第２のノードとバッテリの負極との間に接続される第２のリアクトルと、それぞれ第１および第２のリアクトルに流れる電流を検出する第１および第２の電流検出器と、第１および第２の電流検出器の検出値の差が予め定められた上限値を超えたことに応じて循環電流検出信号を出力する保護回路と、第１および第２の電流検出器の検出値に基づいて第１〜第４のトランジスタの各々をオン／オフ制御し、保護回路から循環電流検出信号が出力されたことに応じて第１〜第４のトランジスタをオフさせる制御装置とを備えたものである。

また、この発明に係る電力変換システムでは、上記電力変換装置が複数設けられ、バッテリは複数の電力変換装置に共通に設けられている。

この発明に係る電力変換装置では、第１および第２のリアクトルに流れる電流をそれぞれ第１および第２の電流検出器で検出し、第１および第２の電流検出器の検出値に基づいて第１〜第４のトランジスタの各々をオン／オフ制御する。したがって、第１および第２のリアクトルに流れる電流の値を等しくすることができるので、１つのバッテリを複数台で共用した場合の循環電流を低減することができる。

この発明の実施の形態１による無停電電源システムの構成を示すブロック図である。 図１に示した無停電電源装置のうちのＤＣ／ＤＣコンバータとその制御に関連する部分の構成を示す回路ブロック図である。 図２に示した制御装置のうちのバッテリの放電に関連する部分の構成を示す回路ブロック図である。 図３に示したＰＷＭ制御部の動作を示すタイムチャートである。 実施の形態１の比較例を示す回路図である。 図２に示した制御装置のうちのバッテリの充電に関連する部分の構成を示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態２による無停電電源システムの要部を示すブロック図である。

[実施の形態１]
本願の実施の形態１による無停電電源システム（電力変換システム）は、図１に示すように、複数台（図では２台）の無停電電源装置（電力変換装置）Ｕ１，Ｕ２と、１つのバッテリＢとを備える。無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の各々は、コンバータ１、インバータ２、およびＤＣ／ＤＣコンバータ３を含む。コンバータ１とインバータ２の間には直流正母線４、中性線５、および直流負母線６が接続され、直流正母線４と中性線５の間にコンデンサＣ１が接続され、中性線５と直流負母線６の間にはコンデンサＣ２が接続されている。また、無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の中性線５は互いに接続されている。

２つのコンバータ１はともに商用交流電源７からの交流電力を受け、２つのインバータ２は負荷８に対して並列に接続されている。各ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、対応のコンデンサＣ１，Ｃ２とバッテリＢとの間に設けられている。２つのＤＣ／ＤＣコンバータ３は、バッテリＢに並列接続されている。

無停電電源装置Ｕ１，Ｕ２の各々において、コンバータ１は、商用交流電源７からの交流電力を直流電力に変換する。また、コンバータ１は、商用交流電源７からの交流電圧ＶＡ１に基づいて直流正電圧Ｖ１、中性電圧Ｖ２、および直流負電圧Ｖ３を生成し、生成した直流電圧Ｖ１〜Ｖ３をそれぞれ直流正母線４、中性線５、および直流負母線６に与える。コンデンサＣ１は、直流正母線４および中性線５間の電圧を平滑化する。コンデンサＣ２は、中性線５および直流負母線６間の電圧を平滑化する。

インバータ２は、コンバータ１またはＤＣ／ＤＣコンバータ３からの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して負荷８に供給する。また、インバータ２は、コンバータ１またはＤＣ／ＤＣコンバータ３から直流正電圧Ｖ１、中性電圧Ｖ２、および直流負電圧Ｖ３を介して与えられる直流電圧Ｖ１〜Ｖ３に基づいて商用周波数の交流電圧ＶＡ２を生成し、その交流電圧ＶＡ２を負荷８に与える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、商用交流電源７から交流電力が正常に供給されている通常時は、コンバータ１で生成された直流電力をバッテリＢに蓄え、商用交流電源７からの交流電力の供給が停止された停電時は、バッテリＢの直流電力をインバータ２に供給する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、通常時は、コンバータ１で生成された直流電圧（Ｖ１−Ｖ２）を降圧してバッテリＢに与え、停電時は、バッテリＢの端子間電圧を昇圧してインバータ２に供給する。

したがって、このような無停電電源システムによれば、停電が発生した場合でも、バッテリＢに直流電力が蓄えられている期間は、負荷８の運転を継続することができる。また、１台で負荷８を運転することが可能な無停電電源装置Ｕを使用することにより、複数台の無停電電源装置Ｕのうちの１台が故障した場合でも、負荷８の運転を継続することができる。

図２は、各無停電電源装置ＵのうちのＤＣ／ＤＣコンバータ３とその制御に関連する部分の構成を示す回路ブロック図である。図２において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、トランジスタＱ１〜Ｑ４、ダイオードＤ１〜Ｄ４、およびリアクトルＬ１，Ｌ２を含む。トランジスタＱ１，Ｑ２は直流正母線４と中性線５の間に直列接続され、トランジスタＱ３，Ｑ４は中性線５と直流負母線６の間に直列接続されている。ダイオードＤ１〜Ｄ４は、それぞれトランジスタＱ１〜Ｑ４に逆並列に接続されている。リアクトルＬ１はトランジスタＱ１，Ｑ２間のノードＮ１とバッテリＢの正極との間に接続され、リアクトルＬ２はトランジスタＱ３，Ｑ４間のノードＮ２とバッテリＢの負極との間に接続されている。

また、各無停電電源装置Ｕは、電圧検出器１１〜１３、電流検出器１４，１５、および制御装置１６を備える。電圧検出器１１は、コンデンサＣ１の端子間電圧を検出し、その検出値ＶＰを示す信号を制御装置１６に与える。電圧検出器１２は、コンデンサＣ２の端子間電圧を検出し、その検出値ＶＮを示す信号を制御装置１６に与える。電圧検出器１３は、バッテリＢの端子間電圧を検出し、その検出値ＶＢを示す信号を制御装置１６に与える。

電流検出器１４は、リアクトルＬ１に流れる電流を検出し、その検出値ＩＰを示す信号を制御装置１６に与える。電流検出器１５は、リアクトルＬ２に流れる電流を検出し、その検出値ＩＮを示す信号を制御装置１６に与える。制御装置１６は、電圧検出器１１〜１３および電流検出器１４，１５の出力信号に基づいてＰＷＭ制御信号φ１〜φ４を生成することにより、トランジスタＱ１〜Ｑ４の各々をオン／オフ制御する。ＰＷＭ制御信号φ１〜φ４が「Ｈ」レベルにされると、それぞれトランジスタＱ１〜Ｑ４がオンし、ＰＷＭ制御信号φ１〜φ４が「Ｌ」レベルにされると、それぞれトランジスタＱ１〜Ｑ４がオフする。

図３は、制御装置１６のうちのバッテリＢの放電に関連する部分の構成を示す回路ブロック図である。図３において、制御装置１６は、電圧検出器１１，１２の出力値ＶＰ，ＶＮと電流検出器１４，１５の出力値ＩＰ，ＩＮに基づいて、トランジスタＱ２，Ｑ３の各々をオン／オフ制御してバッテリＢを放電させ、バッテリＢからコンデンサＣ１，Ｃ２に直流電力を供給する。

すなわち、制御装置１６は、加算器２０、減算器２１，２３，２４、電圧制御器２２、電流制御器２５，２６、およびＰＷＭ制御部２７，２８を含む。加算器２０は、電圧検出器１１の検出値ＶＰと電圧検出器１２の検出値ＶＮを加算して電圧検出値ＶＰＮ＝ＶＰ＋ＶＮを求める。この電圧検出値ＶＰＮは、直流正母線４と直流負母線６の間の電圧の値を示す。減算器２１は、直流正母線４と直流負母線６の間の目標電圧を示す電圧指令値ＶＰＮＣから電圧検出値ＶＰＮを減算する。

電圧制御器２２は、減算器２１の出力値（ＶＰＮＣ−ＶＰＮ）に基づいて、リアクトルＬ１，Ｌ２の各々に流れる目標電流を示す電流指令値ＩＰＮＣを生成する。このとき電圧制御器２２は、電圧指令値ＶＰＮＣと電圧検出値ＶＰＮの偏差（ＶＰＮＣ−ＶＰＮ）がなくなるように電流指令値ＩＰＮＣを生成する。

電流検出器１４は、バッテリＢの正極からリアクトルＬ１を介してノードＮ１に流れる電流を検出し、その検出値ＩＰを示す信号を出力する。電流検出器１５は、ノードＮ２からリアクトルＬ２を介してバッテリＢの負極に流れる電流を検出し、その検出値ＩＮを示す信号を出力する。

減算器２３は、電流指令値ＩＰＮＣから電流検出値ＩＰを減算する。減算器２４は、電流指令値ＩＰＮＣから電流検出値ＩＮを減算する。電流制御器２５は、減算器２３の出力値（ＩＰＮＣ−ＩＰ）に基づいて、電圧指令値ＶＰＮＣ２を生成する。このとき電流制御器２５は、電流指令値ＩＰＮＣと電流検出値ＩＰの偏差（ＩＰＮＣ−ＩＰ）がなくなるように電圧指令値ＶＰＮＣ２を生成する。

電流制御器２６は、減算器２４の出力値（ＩＰＮＣ−ＩＮ）に基づいて、電圧指令値ＶＰＮＣ３を生成する。このとき電流制御器２５は、電流指令値ＩＰＮＣと電流検出値ＩＮの偏差（ＩＰＮＣ−ＩＮ）がなくなるように電圧指令値ＶＰＮＣ３を生成する。ＰＷＭ制御部２７は、電圧指令値ＶＰＮＣ２に基づいてＰＷＭ制御信号φ２を生成する。ＰＷＭ制御部２８は、電圧指令値ＶＰＮＣ３に基づいてＰＷＭ制御信号φ３を生成する。

図４（ａ）（ｂ）は、ＰＷＭ制御部２７の動作を示すタイムチャートである。ＰＷＭ制御部２７は、三角波信号ＴＷ２と電圧指令値ＶＰＮＣ２とを比較し、三角波信号ＴＷ２のレベルが電圧指令値ＶＰＮＣ２よりも高い場合はＰＷＭ制御信号φ２を「Ｌ」レベルにし、三角波信号ＴＷ２のレベルが電圧指令値ＶＰＮＣ２よりも低い場合はＰＷＭ制御信号φ２を「Ｈ」レベルにする。したがって、電圧指令値ＶＰＮＣ２が大きいほどＰＷＭ制御信号φ２のデューティ比が大きくなり、トランジスタＱ２のオン時間が長くなる。

同様に、ＰＷＭ制御部２８は、三角波信号ＴＷ３と電圧指令値ＶＰＮＣ３とを比較し、三角波信号ＴＷ３のレベルが電圧指令値ＶＰＮＣ３よりも高い場合はＰＷＭ制御信号φ３を「Ｌ」レベルにし、三角波信号ＴＷ３のレベルが電圧指令値ＶＰＮＣ３よりも低い場合はＰＷＭ制御信号φ３を「Ｈ」レベルにする。

三角波信号ＴＷ２とＴＷ３は同位相であってもよいし、逆位相であってもよい。三角波信号ＴＷ２とＴＷ３が同位相である場合は、トランジスタＱ２，Ｑ３は同じタイミングでオン／オフする。トランジスタＱ２，Ｑ３が同じタイミングでオンすると、バッテリＢの正極からリアクトルＬ１、トランジスタＱ２，Ｑ３、およびリアクトルＬ２を介してバッテリＢの負極に至る経路で電流が流れ、リアクトルＬ１，Ｌ２に電磁エネルギーが蓄えられる。

トランジスタＱ２，Ｑ３が同じタイミングでオフすると、バッテリＢの正極からリアクトルＬ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１，Ｃ２、ダイオードＤ４、およびリアクトルＬ２を介してバッテリＢの負極に至る経路で電流が流れ、コンデンサＣ１，Ｃ２が充電される。このとき、リアクトルＬ１，Ｌ２に電磁エネルギーが放出され、バッテリＢの端子間電圧が昇圧されてコンデンサＣ１，Ｃ２に与えられる。

また、三角波信号ＴＷ２とＴＷ３が逆位相である場合は、トランジスタＱ２，Ｑ３は交互にオン／オフする。トランジスタＱ２がオフしている期間にトランジスタＱ３がオンすると、バッテリＢの正極からリアクトルＬ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、トランジスタＱ３、およびリアクトルＬ２を介してバッテリＢの負極に至る経路で電流が流れ、コンデンサＣ１が充電されるとともに、リアクトルＬ１，Ｌ２に電磁エネルギーが蓄えられる。

トランジスタＱ２，Ｑ３の両方がオフすると、バッテリＢの正極からリアクトルＬ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１，Ｃ２、ダイオードＤ４、およびリアクトルＬ２を介してバッテリＢの負極に至る経路で電流が流れ、コンデンサＣ１，Ｃ２が充電される。このとき、リアクトルＬ１，Ｌ２の電磁エネルギーが放出され、バッテリＢの端子間電圧が昇圧されてコンデンサＣ１，Ｃ２に与えられる。

トランジスタＱ３がオフしている期間にトランジスタＱ２がオンすると、バッテリＢの正極からリアクトルＬ１、トランジスタＱ２、コンデンサＣ２、ダイオードＤ４、およびリアクトルＬ２を介してバッテリＢの負極に至る経路で電流が流れ、コンデンサＣ２が充電されるとともに、リアクトルＬ１，Ｌ２に電磁エネルギーが蓄えられる。

次に、図３に示したＤＣ／ＤＣコンバータ３および制御装置１６の動作について説明する。ＰＷＭ制御信号φ２，φ３によってトランジスタＱ２，Ｑ３の各々がオン／オフ制御されると、バッテリＢからコンデンサＣ１，Ｃ２に電流が供給されてコンデンサＣ１，Ｃ２が充電される。

コンデンサＣ１，Ｃ２の端子間電圧はそれぞれ電圧検出器１１，１２によって検出され、それらの検出値ＶＰ，ＶＮは加算器２０によって加算される。電圧指令値ＶＰＮＣと加算器２０の出力値ＶＰＮ＝ＶＰ＋ＶＮとの偏差（ＶＰＮＣ−ＶＰＮ）が減算器２１によって求められる。減算器２１の出力値（ＶＰＮＣ−ＶＰＮ）に応じた値の電流指令値ＩＰＮＣが電圧制御器２２によって生成される。

また、電流検出器１４，１５によってそれぞれリアクトルＬ１，Ｌ２に流れる電流が検出される。電流指令値ＩＰＮＣと電流検出器１４の検出値ＩＰとの偏差（ＩＰＮＣ−ＩＰ）が減算器２３によって求められ、電流指令値ＩＰＮＣと電流検出器１５の検出値ＩＮとの偏差（ＩＰＮＣ−ＩＮ）が減算器２４によって求められる。

減算器２３の出力値（ＩＰＮＣ−ＩＰ）に応じた値の電圧指令値ＶＰＮＣ２が電流制御器２５によって生成され、減算器２４の出力値（ＩＰＮＣ−ＩＮ）に応じた値の電圧指令値ＶＰＮＣ３が電流制御器２６によって生成される。電圧指令値ＶＰＮＣ２に応じたデューティ比のＰＷＭ制御信号φ２がＰＷＭ制御部２７によって生成されてトランジスタＱ２のゲートに与えられ、電圧指令値ＶＰＮＣ３に応じたデューティ比のＰＷＭ制御信号φ３がＰＷＭ制御部２８によって生成されてトランジスタＱ３のゲートに与えられる。

この放電動作では、電圧指令値ＶＰＮＣと電圧検出値ＶＰＮの偏差（ＶＰＮＣ−ＶＰＮ）がなくなるように電流指令値ＩＰＮＣが生成される。また、電流指令値ＩＰＮＣと電流検出値ＩＰの偏差（ＩＰＮＣ−ＩＰ）がなくなるように電圧指令値ＶＰＮＣ２が生成され、電流指令値ＩＰＮＣと電流検出値ＩＮの偏差（ＩＰＮＣ−ＩＮ）がなくなるように電圧指令値ＶＰＮＣ３が生成される。したがって、コンデンサＣ１，Ｃ２の端子間電圧は、電圧指令値ＶＰＮＣに応じたレベルの目標電圧に維持される。また、ＩＰＮＣ＝ＩＰ＝ＩＮとなるので、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ３に流れる循環電流を低減することができる。

図５は、本願発明の比較例を示す回路図であって、図３と対比される図である。図５を参照して、比較例では、リアクトルＬ１に流れる電流を検出する電流検出器１４のみが設けられ、リアクトルＬ２に流れる電流を検出する電流検出器１５は設けられていない。このため、リアクトルＬ１に流れる電流の値ＩＰとリアクトルＬ２に流れる電流の値ＩＮとを必ずしも一致させることはできず、それらの差の電流は循環電流ＩＣとなる。

図５では、バッテリＢの正極から無停電電源装置Ｕ１のリアクトルＬ１、トランジスタＱ２、中性線５、無停電電装置Ｕ２のトランジスタＱ３、リアクトルＬ２を介してバッテリＢの負極の経路で循環電流ＩＣが流れる状態が示されている。この循環電流ＩＣは、無停電電源システムの故障、誤動作の原因となる。

図６は、制御装置１６のうちのバッテリＢの充電に関連する部分の構成を示す回路ブロック図である。図３において、制御装置１６は、電圧検出器１３の出力値ＶＢと電流検出器１４，１５の出力値ＩＰ，ＩＮに基づいて、トランジスタＱ１，Ｑ４の各々をオン／オフ制御し、コンデンサＣ１，Ｃ２からバッテリＢに直流電力を供給してバッテリＢを充電する。

すなわち、制御装置１６は、減算器３１，３３，３４、電圧制御器３２、電流制御器３５，３６、およびＰＷＭ制御部３７，３８を含む。電圧検出器１３は、バッテリＢの端子間電圧を検出し、その検出値ＶＢを示す信号を制御装置１６に与える。

減算器３１は、バッテリＢの端子間電圧の目標値を示す電圧指令値ＶＢＣから電圧検出値ＶＢを減算する。電圧制御器３２は、減算器３１の出力値（ＶＢＣ−ＶＢ）に基づいて、リアクトルＬ１，Ｌ２の各々に流れる目標電流を示す電流指令値ＩＢＣを生成する。このとき電圧制御器３２は、電圧指令値ＶＢＣと電圧検出値ＶＢの偏差（ＶＢＣ−ＶＢ）がなくなるように電流指令値ＩＢＣを生成する。

電流検出器１４は、ノードＮ１からリアクトルＬ１を介してバッテリＢの正極に流れる電流を検出し、その検出値ＩＰを示す信号を出力する。電流検出器１５は、バッテリＢの負極からリアクトルＬ２を介してノードＮ２に流れる電流を検出し、その検出値ＩＮを示す信号を出力する。

減算器３３は、電流指令値ＩＢＣから電流検出値ＩＰを減算する。減算器３４は、電流指令値ＩＢＣから電流検出値ＩＮを減算する。電流制御器３５は、減算器３３の出力値（ＩＢＣ−ＩＰ）に基づいて、電圧指令値ＶＢＣ１を生成する。このとき電流制御器３５は、電流指令値ＩＢＣと電流検出値ＩＮの偏差（ＩＢ−ＩＰ）がなくなるように電圧指令値ＶＢＣ１を生成する。

電流制御器３６は、減算器３４の出力値（ＩＢＣ−ＩＮ）に基づいて、電圧指令値ＶＢＣ４を生成する。このとき電流制御器３６は、電流指令値ＩＢＣと電流検出値ＩＮの偏差（ＩＢＣ−ＩＮ）がなくなるように電圧指令値ＶＢＣ４を生成する。ＰＷＭ制御部３７は、電圧指令値ＶＢＣ１に基づいてＰＷＭ制御信号φ１を生成する。ＰＷＭ制御部３８は、電圧指令値ＶＢＣ４に基づいてＰＷＭ制御信号φ４を生成する。

ＰＷＭ制御部３７，３８は、ＰＷＭ制御部２７，２８と同様にして、ＰＷＭ制御信号φ１，φ４を生成する。すなわち、ＰＷＭ制御部３７は、三角波信号ＴＷ１と電圧指令値ＶＢＣ１とを比較し、三角波信号ＴＷ１のレベルが電圧指令値ＶＢＣ１よりも高い場合はＰＷＭ制御信号φ１を「Ｌ」レベルにし、三角波信号ＴＷ１のレベルが電圧指令値ＶＢＣ１よりも低い場合はＰＷＭ制御信号φ１を「Ｈ」レベルにする。したがって、電圧指令値ＶＢＣ１が大きいほどＰＷＭ制御信号φ１のデューティ比が大きくなり、トランジスタＱ１のオン時間が長くなる。

同様に、ＰＷＭ制御部３８は、三角波信号ＴＷ４と電圧指令値ＶＢＣ４とを比較し、三角波信号ＴＷ４のレベルが電圧指令値ＶＢＣ４よりも高い場合はＰＷＭ制御信号φ４を「Ｌ」レベルにし、三角波信号ＴＷ４のレベルが電圧指令値ＶＢＣ４よりも低い場合はＰＷＭ制御信号φ４を「Ｈ」レベルにする。

三角波信号ＴＷ１とＴＷ４は同位相であってもよいし、逆位相であってもよい。三角波信号ＴＷ１とＴＷ４が同位相である場合は、トランジスタＱ１，Ｑ４は同じタイミングでオン／オフする。トランジスタＱ１，Ｑ４が同じタイミングでオンすると、コンデンサＣ１から直流正母線４、トランジスタＱ１、リアクトルＬ１、バッテリＢ、リアクトルＬ２、トランジスタＱ４、および直流負母線６を介してコンデンサＣ２に至る経路で電流が流れ、バッテリＢが充電されるとともに、リアクトルＬ１，Ｌ２に電磁エネルギーが蓄えられる。

トランジスタＱ１，Ｑ４が同じタイミングでオフすると、リアクトルＬ１、バッテリＢ、リアクトルＬ２、ダイオードＤ３、およびダイオードＤ２の経路で電流が流れ、バッテリＢが充電される。このとき、リアクトルＬ１，Ｌ２の電磁エネルギーが放出され、コンデンサＣ１，Ｃ２の端子間電圧が降圧されてバッテリＢに与えられる。

また、三角波信号ＴＷ１とＴＷ４が逆位相である場合は、トランジスタＱ１，Ｑ４は交互にオン／オフする。トランジスタＱ１がオフしている期間にトランジスタＱ４がオンすると、コンデンサＣ２、中性線５、ダイオードＤ２、リアクトルＬ１、バッテリＢ、リアクトルＬ２、トランジスタＱ４、直流負母線６の経路で電流が流れ、コンデンサＣ２が充電されるとともに、リアクトルＬ１，Ｌ２に電磁エネルギーが蓄えられる。

トランジスタＱ１，Ｑ４の両方がオフすると、リアクトルＬ１、バッテリＢ、リアクトルＬ２、ダイオードＤ３、およびダイオードＤ２の経路で電流が流れ、バッテリＢが充電される。このとき、リアクトルＬ１，Ｌ２の電磁エネルギーが放出され、コンデンサＣ２の端子間電圧が降圧されてバッテリＢに与えられる。

トランジスタＱ４がオフしている期間にトランジスタＱ１がオンすると、コンデンサＣ１、直流正母線４、トランジスタＱ１、リアクトルＬ１、バッテリＢ、リアクトルＬ２、ダイオードＤ３、および中性線５の経路で電流が流れ、コンデンサＣ１が充電されるとともに、リアクトルＬ１，Ｌ２に電磁エネルギーが蓄えられる。

次に、図６に示したＤＣ／ＤＣコンバータ３および制御装置１６の動作について説明する。ＰＷＭ制御信号φ１，φ４によってトランジスタＱ１，Ｑ４の各々がオン／オフ制御されると、コンデンサＣ１，Ｃ２からバッテリＢに電流が供給されてバッテリＢが充電される。

バッテリＢの端子間電圧は電圧検出器１３によって検出され、その検出値ＶＢは減算器３１に与えられる。電圧指令値ＶＢＣと電圧検出値ＶＢとの偏差（ＶＢＣ−ＶＢ）が減算器３１によって求められる。減算器３１の出力値（ＶＢＣ−ＶＢ）に応じた値の電流指令値ＩＢＣが電圧制御器３２によって生成される。

また、電流検出器１４，１５によってそれぞれリアクトルＬ１，Ｌ２に流れる電流が検出される。電流指令値ＩＢＣと電流検出器１４の検出値ＩＰとの偏差（ＩＢＣ−ＩＰ）が減算器３３によって求められ、電流指令値ＩＢＣと電流検出器１５の検出値ＩＮとの偏差（ＩＢＣ−ＩＮ）が減算器３４によって求められる。

減算器３３の出力値（ＩＢＣ−ＩＰ）に応じた値の電圧指令値ＶＢＣ１が電流制御器３５によって生成され、減算器３４の出力値（ＩＢＣ−ＩＮ）に応じた値の電圧指令値ＶＢＣ４が電流制御器３６によって生成される。電圧指令値ＶＢＣ１に応じたデューティ比のＰＷＭ制御信号φ１がＰＷＭ制御部３７によって生成されてトランジスタＱ１のゲートに与えられ、電圧指令値ＶＢＣ４に応じたデューティ比のＰＷＭ制御信号φ４がＰＷＭ制御部３８によって生成されてトランジスタＱ４のゲートに与えられる。

この充電動作では、電圧指令値ＶＢＣと電圧検出値ＶＢの偏差（ＶＢＣ−ＶＢ）がなくなるように電流指令値ＩＢＣが生成される。また、電流指令値ＩＢＣと電流検出値ＩＰの偏差（ＩＢ−ＩＰ）がなくなるように電圧指令値ＶＢＣ１が生成され、電流指令値ＩＢＣと電流検出値ＩＮの偏差（ＩＢＣ−ＩＮ）がなくなるように電圧指令値ＶＢＣ４が生成される。したがって、バッテリＢの端子間電圧は、電圧指令値ＶＢＣに応じたレベルの目標電圧に維持される。また、ＩＢＣ＝ＩＰ＝ＩＮとなるので、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ３に流れる循環電流を低減することができる。

[実施の形態２]
図７は、本発明の実施の形態２による無停電電源システムの要部を示すブロック図である。図７において、この無停電電源システムが実施の形態１の無停電電源システムと異なる点は、各無停電電源装置Ｕに減算器４０および保護回路４１〜４３が追加されている点である。

保護回路４１は、リアクトルＬ１に流れる電流の検出値ＩＰと上限値ＩＰＨとを比較し、比較結果を示す信号φ４１を出力する。ＩＰ≦ＩＰＨである場合は信号φ４１は非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされ、ＩＰ＞ＩＰＨである場合は信号φ４１は活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。つまり、「Ｈ」レベルの信号φ４１は、上限値ＩＰＨを超える過電流がリアクトルＬ１に流れたことを示す過電流検出信号となる。

減算器４０は、リアクトルＬ１に流れる電流の検出値ＩＰとリアクトルＬ２に流れる電流の検出値ＩＮとの差ＩＰＮ＝ＩＰ−ＩＮを求める。保護回路４２は、減算器４０の出力値ＩＰＮの絶対値|ＩＰＮ|と上限値ＩＰＮＨとを比較し、比較結果を示す信号φ４２を出力する。|ＩＰＮ|≦ＩＰＮＨである場合は信号φ４２は非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされ、|ＩＰＮ|＞ＩＰＮＨである場合は信号φ４２は活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。循環電流ＩＣが大きくなって、リアクトルＬ１に流れる電流の検出値ＩＰとリアクトルＬ２に流れる電流の検出値ＩＮとの差ＩＰＮ＝ＩＰ−ＩＮが大きくなると、信号φ４２は「Ｈ」レベルになる。つまり、「Ｈ」レベルの信号φ４２は、上限値ＩＰＮＨを超える循環電流ＩＣが流れたことを示す循環電流検出信号となる。

保護回路４３は、リアクトルＬ２に流れる電流の検出値ＩＮと上限値ＩＮＨとを比較し、比較結果を示す信号φ４３を出力する。ＩＮ≦ＩＮＨである場合は信号φ４３は非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされ、ＩＮ＞ＩＮＨである場合は信号φ４３は活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。リアクトルＬ２に過電流が流れると信号φ４３は「Ｈ」レベルにされる。つまり、「Ｈ」レベルの信号φ４３は、上限値ＩＮＨを超える過電流がリアクトルＬ２に流れたことを示す過電流検出信号となる。

制御装置１６は、信号φ４１〜φ４２がともに「Ｌ」レベルである場合は、ＰＷＭ制御信号φ１〜φ４を生成してトランジスタＱ１〜Ｑ４の各々をオン／オフ制御する。また、信号φ４１〜φ４２のうちの少なくとも１つの信号が「Ｈ」レベルになった場合は、ＰＷＭ制御信号φ１〜φ４を「Ｌ」レベルにしてトランジスタＱ１〜Ｑ４の各々をオフ状態にし、無停電電源システムを保護する。

この実施の形態２では、リアクトルＬ１，Ｌ２に過電流が流れたり、大きな循環電流ＩＣが流れた場合にトランジスタＱ１〜Ｑ４をオフ状態にして、無停電電源システムを保護することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ｕ１，Ｕ２ 無停電電源装置、Ｂ バッテリ、１ コンバータ、２ インバータ、３ ＤＣ／ＤＣコンバータ、４ 直流正母線、５ 中性線、６ 直流負母線、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、７ 商用交流電源、８ 負荷、Ｑ１〜Ｑ４ トランジスタ、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｌ１，Ｌ２ リアクトル、１１〜１３ 電圧検出器、１４，１５ 電流検出器、１６ 制御装置、２０ 加算器、２１，２３，２４，３１，３３，３４，４０ 減算器、２２，３２ 電圧制御器、２５，２６，３５，３６ 電流制御器、２７，２８，３７，３８ ＰＷＭ制御部、４１〜４３ 保護回路。

Claims (6)

1. 直列接続された第１および第２のコンデンサとバッテリとの間でＤＣ／ＤＣ変換を行なう電力変換装置であって、
   前記第１のコンデンサの端子間に直列接続される第１および第２のトランジスタと、
   前記第２のコンデンサの端子間に直列接続される第３および第４のトランジスタと、
   それぞれ前記第１〜第４のトランジスタに逆並列に接続された第１〜第４のダイオードと、
   前記第１および第２のトランジスタ間の第１のノードと前記バッテリの正極との間に接続される第１のリアクトルと、
   前記第３および第４のトランジスタ間の第２のノードと前記バッテリの負極との間に接続される第２のリアクトルと、
   それぞれ前記第１および第２のリアクトルに流れる電流を検出する第１および第２の電流検出器と、
   前記第１および第２の電流検出器の検出値に基づいて前記第１〜第４のトランジスタの各々をオン／オフ制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、電流指令値と前記第１の電流検出器の検出値との偏差に基づいて前記第１または第２のトランジスタをオン／オフ制御するとともに、前記電流指令値と前記第２の電流検出器の検出値との偏差に基づいて前記第３または第４のトランジスタをオン／オフ制御する、電力変換装置。
2. さらに、前記第１および第２のコンデンサの端子間電圧の和の電圧を検出する電圧検出器を備え、
   前記制御装置は、前記バッテリから前記第１および第２のコンデンサに直流電力を供給する場合、電圧指令値と前記電圧検出器の検出値との偏差に基づいて前記電流指令値を生成し、前記電流指令値と前記第１の電流検出器の検出値との偏差に基づいて前記第２のトランジスタをオン／オフ制御するとともに、前記電流指令値と前記第２の電流検出器の検出値との偏差に基づいて前記第３のトランジスタをオン／オフ制御する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. さらに、前記バッテリの端子間電圧を検出する電圧検出器を備え、
   前記制御装置は、前記第１および第２のコンデンサから前記バッテリに電力を供給する場合、電圧指令値と前記電圧検出器の検出値との偏差に基づいて前記電流指令値を生成し、前記電流指令値と前記第１の電流検出器の検出値との偏差に基づいて前記第１のトランジスタをオン／オフ制御するとともに、前記電流指令値と前記第２の電流検出器の検出値との偏差に基づいて前記第４のトランジスタをオン／オフ制御する、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 直列接続された第１および第２のコンデンサとバッテリとの間でＤＣ／ＤＣ変換を行なう電力変換装置であって、
   前記第１のコンデンサの端子間に直列接続される第１および第２のトランジスタと、
   前記第２のコンデンサの端子間に直列接続される第３および第４のトランジスタと、
   それぞれ前記第１〜第４のトランジスタに逆並列に接続された第１〜第４のダイオードと、
   前記第１および第２のトランジスタ間の第１のノードと前記バッテリの正極との間に接続される第１のリアクトルと、
   前記第３および第４のトランジスタ間の第２のノードと前記バッテリの負極との間に接続される第２のリアクトルと、
   それぞれ前記第１および第２のリアクトルに流れる電流を検出する第１および第２の電流検出器と、
   前記第１または第２の電流検出器の検出値が予め定められた上限値を超えたことに応じて過電流検出信号を出力する保護回路と、
   前記第１および第２の電流検出器の検出値に基づいて前記第１〜第４のトランジスタの各々をオン／オフ制御し、前記保護回路から前記過電流検出信号が出力されたことに応じて前記第１〜第４のトランジスタをオフさせる制御回路とを備える、電力変換装置。
5. 直列接続された第１および第２のコンデンサとバッテリとの間でＤＣ／ＤＣ変換を行なう電力変換装置であって、
   前記第１のコンデンサの端子間に直列接続される第１および第２のトランジスタと、
   前記第２のコンデンサの端子間に直列接続される第３および第４のトランジスタと、
   それぞれ前記第１〜第４のトランジスタに逆並列に接続された第１〜第４のダイオードと、
   前記第１および第２のトランジスタ間の第１のノードと前記バッテリの正極との間に接続される第１のリアクトルと、
   前記第３および第４のトランジスタ間の第２のノードと前記バッテリの負極との間に接続される第２のリアクトルと、
   それぞれ前記第１および第２のリアクトルに流れる電流を検出する第１および第２の電流検出器と、
   前記第１および第２の電流検出器の検出値の差が予め定められた上限値を超えたことに応じて循環電流検出信号を出力する保護回路と、
   前記第１および第２の電流検出器の検出値に基づいて前記第１〜第４のトランジスタの各々をオン／オフ制御し、前記保護回路から前記循環電流検出信号が出力されたことに応じて前記第１〜第４のトランジスタをオフさせる制御装置とを備える、電力変換装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電力変換装置を複数備え、前記バッテリは複数の前記電力変換装置に共通に設けられている、電力変換システム。

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