電力変換システム
【課題】電力変換手段に着目し電子部品の材料特性向上に依存することなく電力変換効率のさらなる向上を図ること。
【解決手段】電力変換システム１は、交流電源９から供給された交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ５と、互いに直列に接続され交流電源９に接続されるとともに出力が並列に接続され、入力側と出力側が絶縁されている複数のＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎとを備える。
【解決手段】電力変換システム１は、交流電源９から供給された交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ５と、互いに直列に接続され交流電源９に接続されるとともに出力が並列に接続され、入力側と出力側が絶縁されている複数のＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流入力電圧を整流し、整流後の直流電圧を負荷が要求する電圧に変換する電力変換システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ネットワークを経由した情報処理を行うのに必要なサーバ装置を高密度で集積したデータセンターではサーバ装置内の負荷（例えば、ＣＰＵやメモリ）に給電する際、無停電電源装置への蓄電のために交流電圧から直流電圧への電力変換後に再び交流電圧へ電力変換し、その後交流電圧から直流電圧への電力変換を多数の電力変換器を介して行う、いわゆる交流給電システムが採用されていた。
【０００３】
近年、データセンターや通信ビルなどに構築される情報通信システムでは、使用される情報通信機器の増加に伴い、消費電力が増大しているため、情報通信システムでの消費電力を低減することが要求されている。この消費電力の低減を図るためには電力変換効率の向上が不可欠である。
【０００４】
そこで、電力変換効率の向上を図るために、交流電源から供給される交流電圧（例えば200V）を第１の直流電圧（例えば380V）に変換する電力変換器と該直流電圧を降圧するための降圧手段とを含む電力変換システム（直流給電システム）が提案されている。
【０００５】
この提案の電力変換システム１００は、具体的には、図４に示すように交流電源１１０に接続されたＨＶＤＣ（higher voltage direct current：高電圧直流給電装置）１０１及び該ＨＶＤＣ１０１に接続された複数の１９インチラック１０２−１〜１０２−Ｎ（Ｎは２以上の整数）を備えて構成されている。１９インチラックは主としてサーバ装置等の情報通信機器を数十台収納するラックである。
【０００６】
ＨＶＤＣ１０１は交流電源１１０から供給される交流電圧（例えば200V）を第１の直流電圧（例えば380V）に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１０６を含む直流電源部１０５を備えている。
【０００７】
各１９インチラック１０２−１〜１０２−Ｎはそれぞれ各サーバ装置１０３−１〜１０３−Ｎを備えている。
各サーバ装置１０３−１〜１０３−Ｎのそれぞれの構成は全て同じであるので以下ではサーバ装置１０３−１を例にして説明する。
【０００８】
サーバ装置１０３−１は、第１の直流電圧を第２の直流電圧（例えば48V）に変換（降圧）するＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば、特許文献１参照）１０７と、第２の直流電圧の出力のバラツキを抑制（定電圧制御）するためのＤＣ−ＤＣコンバータ１０８と、第２の直流電圧を第３の直流電圧（例えば1.2V）に変換（降圧）するＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎ（Ｎは２以上の整数）と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎにそれぞれ接続され第３の直流電圧が入力される負荷１１０−１〜１１０−Ｎ（Ｎは２以上の整数）とを備えて構成されている。
【０００９】
尚、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０８、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎ及び負荷１１０−１〜１１０−Ｎはサーバ装置１０３−１のオンボード１０４−１を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−１４２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記した電力変換システム１００は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０６、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０８、及び、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎの電力変換部を備えており、交流電源１１０から負荷１１０−１〜１１０−Ｎまでの電力変換の変換段数は４段である。ＡＣ−ＤＣコンバータ１０６による電力変換効率が概ね９５％程度であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７による電力変換効率が概ね９５％程度であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０８による電力変換効率が概ね９７％程度であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎによる電力変換効率が概ね９１％程度である。
【００１２】
ここで、交流電源から負荷までの電力変換効率は各電力変換効率を乗算して得られる。例えば、交流電源１１０から負荷１１０−１〜１１０−Ｎまでの電力変換効率は概ね８０％程度となる。
【００１３】
しかしながら、上記電力変換手段においてこの電力変換効率のさらなる向上を図るためには電力変換器を構成する電子部品の材料特性の向上等が必要となってしまいコストがかかってしまう。
【００１４】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、電力変換手段に着目し電子部品の材料特性向上に依存することなく電力変換効率のさらなる向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
かかる目的を達成するためになされた本発明の第１の態様に係る電力変換システムは、交流電源から供給された交流電圧（交流電力）を直流電圧（直流電力）に変換する電力変換手段と、互いに直列に接続され前記交流電源に接続されるとともに出力が並列に接続され、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段とを備えて構成されている。
【００１６】
本発明では、交流電源から供給された交流電圧を負荷が要求する直流電圧に電力変換するという点では上記した従来の電力変換システム（従来技術）と同じである。
しかし、従来技術では、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０６、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０８、及び、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎの４つの電力変換部で電力変換を行っているため、交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が４段である。これに対し、本発明では、電力変換手段によって交流電圧から電力変換された直流電圧を複数の降圧手段で分割するとともに該各降圧手段のそれぞれが分割された直流電圧をさらに電力変換（降圧）して負荷に出力しているので、交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が２段である。
【００１７】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段に減少するので電力変換効率のさらなる向上が図れる。
【００１８】
本発明の第２の態様に係る電力変換システムは、互いに直列に接続され交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換して出力する複数の電力変換手段と、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段とを備え、前記複数の各降圧手段が複数の前記各電力変換手段のそれぞれに接続されるとともに、出力が並列に接続されて構成されている。
【００１９】
本発明では、交流電源から供給された交流電圧を負荷が要求する直流電圧に電力変換するという点では上記した従来の電力変換システム（従来技術）と同じである。
しかし、従来技術では、上記したように交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が４段であるのに対し、本発明では、前記複数の各電力変換手段によって交流電圧を分割するとともに該分割された交流電圧を直流電圧に変換して出力し、各降圧手段によって分割された直流電圧を負荷が要求する直流電圧にさらに電力変換（降圧）しているので交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が２段である。
【００２０】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段減少するので電力変換効率のさらなる向上が図れる。
【００２１】
本発明の第３の態様に係る電力変換システムは、交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する電力変換手段を有する直流電源装置と、互いに直列に接続され前記交流電源に接続されるとともに出力が並列に接続され、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段及び該各降圧手段のそれぞれに接続された複数の負荷を有するサーバ装置とを備えて構成されている。
【００２２】
本発明では、交流電源から供給された交流電圧を負荷が要求する直流電圧に電力変換するという点では上記した従来の電力変換システム（従来技術）と同じである。
しかし、従来技術では、上記したように交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が４段であるのに対し、本発明では、直流電源装置を構成する電力変換手段によって交流電圧から電力変換された直流電圧を、サーバ装置を構成する複数の降圧手段で分割するとともに該各降圧手段のそれぞれが分割された直流電圧をさらに電力変換（降圧）して負荷に出力しているので、交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が２段である。
【００２３】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段に減少するので電力変換効率のさらなる向上が図れる。
【００２４】
また、従来技術では１９インチラックが直流電源装置としてのＨＶＤＣに接続された構成となっているのに対し、本発明では直流電源装置が１９インチラックに含まれた構成となっているため、１９インチラック内のサーバ装置と直流電源装置を接続するコネクタケーブルの長さを短くすることができる。従って、コネクタケーブルにかかるコストを低減することができる。
【００２５】
本発明の第４の態様に係る電力変換システムは、互いに直列に接続され交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換して出力する複数の電力変換手段を有する直流電源装置と、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段と該各降圧手段のそれぞれに接続された複数の負荷とを有するサーバ装置とを備え、前記複数の各降圧手段が複数の前記各電力変換手段のそれぞれに接続されるとともに出力が並列に接続されて構成されている。
【００２６】
本発明では、交流電源から供給された交流電圧を負荷が要求する直流電圧に電力変換するという点では上記した従来の電力変換システム（従来技術）と同じである。
しかし、従来技術では、上記したように交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が４段であるのに対し、本発明では、直流電源装置を構成する電力変換手段によって交流電圧を分割するとともに該分割された交流電圧を直流電圧に電力変換（降圧）して出力し、サーバ装置を構成する複数の各降圧手段のそれぞれによって分割された直流電圧を、サーバ装置を構成する負荷が要求する直流電圧にさらに電力変換（降圧）しているので交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が２段である。
【００２７】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段減少するので電力変換効率のさらなる向上が図れる。
【００２８】
また、従来技術では１９インチラックが直流電源装置としてのＨＶＤＣに接続された構成となっているのに対し、本発明では直流電源装置が１９インチラックに含まれた構成となっているため、１９インチラック内のサーバ装置と直流電源装置を接続するコネクタケーブルの長さを短くすることができる。従って、コネクタケーブルにかかるコストを低減することができる。
【００２９】
本発明の第５の態様に係る電力変換システムは、前記各降圧手段の前段に蓄電池が接続されていることを特徴とする。
従って、前記各降圧手段の前段に配置された直流電源装置を構成する電力変換手段に異常が生じた場合においても蓄電池から前記各降圧手段への電力供給が継続されるので負荷への電力供給が停止することがない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る電力変換システムの構成を表す図である。
【図２】第１の実施形態の電力変換システムの構成を表す図である。
【図３】第２の実施形態の電力変換システムの構成を表す図である。
【図４】従来の電力変換システムの構成を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
[第１の実施形態]
以下に本発明の第１の実施形態について図１を参照して説明する。図１は第１の実施形態の電力変換システムの構成を表す図である。
【００３２】
電力変換システム１は、具体的には、図１に示すように交流電源９に接続された複数の１９インチラック２−１〜２−Ｎ（Ｎは２以上の整数）を備えて構成されている。
１９インチラック２−１〜２−Ｎは、それぞれ交流電源９から供給される交流電圧（例えば200V）を第１の直流電圧（例えば380V）に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ５を含む直流電源部３と、サーバ装置４を備えて構成されている。
【００３３】
サーバ装置４は、互いに直列に接続された複数のＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎ（Ｎは２以上の整数）と該各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎのそれぞれに接続された負荷（例えば、メモリ）８−１〜８−Ｎ（Ｎは２以上の整数）とを備えて構成されている。
【００３４】
ＡＣ−ＤＣコンバータ５として、例えば、図２に示すような２レベルコンバータ５´が用いられる。
２レベルコンバータ５´は、いわゆるマルチレベルコンバータの一態様として知られており、いわゆる「三相電圧形インバータ」と同様の回路構成であり、オンオフ機能を有するスイッチング素子１０〜１５と、それぞれ各スイッチング素子１０〜１５に逆並列に接続され整流機能を有するダイオードＤ１〜Ｄ６と、互いに直列に接続され出力電圧（ノードＮ3-1とノードＮ3-nの間の電圧）を脈動分の少ない電圧にする平滑コンデンサＣ1a〜ＣNa（Ｎは２以上の整数）とを備えて構成されている。
【００３５】
各スイッチング素子１０〜１５は自己消孤機能を有する半導体スイッチ素子であり、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。
尚、上記した２レベルコンバータ５´の代わりに、例えば、５レベルコンバータを用いてもよい。この５レベルコンバータとしては、５レベルダイオードクランプ形、５レベルフライングキャパシタ形及び５レベルチェーンリンク形等が知られている。
【００３６】
この５レベルコンバータは、半周期につき５段階の値（プラス側最大値、プラス側中間値、０、マイナス側中間値、マイナス側最大値）をとるようにコンバータ内のスイッチング素子を制御することにより高周波電圧を出力している。このような制御を行うことにより２レベルコンバータよりも出力電圧の高調波成分を少なくできる。
【００３７】
Ｎ個の平滑コンデンサＣ1a〜ＣNaは互いに直列に接続されている。互いに直列に接続された各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−ＮはノードＮ3-1及びノードＮ3-nを介して交流電源９に接続されている。
【００３８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１のハイサイドの入力端子（ノードＮ3-1）は平滑コンデンサＣ1aを介してローサイドの入力端子（ノードＮ3-2）に接続されている。
上記同様に複数の各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−２〜６−Ｎについては、それぞれＤＣ−ＤＣコンバータ６−２〜６−Ｎのハイサイドにおける入力側ノード（ノードＮ3-2〜ノードＮ3-(n-1)）がそれぞれ平滑コンデンサＣ2a〜ＣNaを介して各平滑コンデンサＣ2a〜ＣNaに対応するローサイドの入力側ノード（ノードＮ3-3〜ノードＮ3-n）に接続されている。
【００３９】
ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎのそれぞれは、いわゆる絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであり、オンオフ機能を有するスイッチング素子１６〜１９と、一次側ダイオードＤ７〜Ｄ１０と、トランス２０と、二次側ダイオードＤ１１，Ｄ１２と、コイルＬ4と、平滑コンデンサＣbを備えて構成されている。
【００４０】
尚、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータとしては、上記したフルブリッジ方式の他に、フライバック方式、フォワード方式、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式のものでもよい。
スイッチング素子１６〜１９は自己消孤機能を有する半導体スイッチ素子であり、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。
【００４１】
各スイッチ部１６〜１９にはそれぞれ整流機能を有する一次側ダイオードＤ７〜Ｄ１０が逆並列に接続されている。
トランス２０は一次側コイルＬ1と二次側コイルＬ2，Ｌ3を備えて構成されている。二次側コイルＬ2，Ｌ3はノードＮ5を介して互いに直列に接続されている。二次側コイルＬ2の一端にはダイオードＤ１１のアノードが接続され、他端にはダイオードＤ１２のアノードが接続されている。コイルＬ4の一端にはダイオードＤ１１、Ｄ１２のカソードが接続されており、他端にはコンデンサＣbの一端が接続されている。コンデンサＣbの他端はノードＮ5に接続されている。
【００４２】
複数のＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの出力は並列に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの出力（直流電圧）はそれぞれ負荷８−１〜８−Ｎに供給されている。
【００４３】
尚、並列に接続された各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの出力が、上記したように対応する各負荷８−１〜８−Ｎに供給されるような接続態様だけでなく、複数の負荷８−１〜８−Ｎの内の少なくとも一つの負荷（例えば、負荷８−１）にのみ供給されるような接続態様でもよい。
【００４４】
以下に、本第１の実施の形態に係る電力変換システム１の動作について説明する。
２レベルコンバータ５´を構成するスイッチング素子１０〜１５のスイッチング制御について、単相（例えば、Ｕ相）で考えると、例えばスイッチング素子１０、１３を一対とし、スイッチング素子１１、１２を一対として交互にオンオフするとともにダイオードＤ１〜Ｄ４による全波整流を行うことにより交流電源９からの交流電圧（例えばAC200V）を直流電圧（例えばDC380V）に変換する。
【００４５】
他の相（例えば、Ｖ相）についても上記同様にスイッチング素子１２、１５を一対とし、スイッチング素子１３、１４を一対とし交互にオンオフするとともにダイオードＤ３〜Ｄ６による全波整流を行うことにより交流電圧を直流電圧に変換する。
【００４６】
さらに別の相（例えば、Ｗ相）についてもスイッチング素子１０、１５を一対とし、スイッチング素子１１、１４を一対として交互にオンオフするとともにダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ５、Ｄ６による全波整流を行うことにより交流電圧を直流電圧に変換する。
【００４７】
上記したスイッチング制御により、ノードＮ3-1とノードＮ3-n（ｎは２以上の整数）間には、第１の直流電圧（第１のコンバータ電圧、例えば、ＤＣ３８０Ｖ）が発生する。
互いに直列に接続された各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎのそれぞれの入力側には、平滑コンデンサＣ1a〜ＣNaの容量が全て同一である場合に３８０／Ｎボルトの電圧が
発生する。
【００４８】
例えば、平滑コンデンサが８個直列に接続され、８個の平滑コンデンサに対応するＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８が互いに直列に接続された形態では、平滑コンデンサＣ1a〜Ｃ8aの容量が全て同一である場合にＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８の入力側に概ね４８ボルトの直流電圧が供給される。
【００４９】
また、上記したようにＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８によって直列に分割された直流電圧（DC48V）に不平衡（バラツキ）が生じた場合には、（１）別途直流電圧バランス回路をＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８に接続する方法、（２）ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８の二次側に一次側と同様の構成のフルブリッジ回路を接続し一次側及び二次側全体でいわゆる双方向回路として機能させ、回生電力を不平衡（バラツキ）が生じていない他のＤＣ−ＤＣコンバータから供給する方法により分割された直流電圧の不平衡を改善することができる。
【００５０】
尚、ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８のそれぞれの構成は全て同じであるので、以下ではＤＣ−ＤＣコンバータ６−１を例として説明する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１では、スイッチング素子１６、１９を一対とし、スイッチング素子１７、１８を一対とし交互にオンオフすることにより一次側コイルＬ1にはプラス４８ボルトとマイナス４８ボルトの直流電圧（高周波）が交互に発生する。
【００５１】
一次側コイルＬ1にプラス４８ボルトが発生した場合には二次側コイルＬ2側に所定の変圧比で変圧された直流電圧、本例では１．２ボルトの直流電圧がダイオードＤ１１を介して負荷８−１に供給される。一次側コイルＬ1にマイナス４８ボルトが発生した場合には二次側コイルＬ3側に所定の変圧比で変圧された１．２ボルトの直流電圧がダイオードＤ１２を介して負荷８−１に供給される。
【００５２】
尚、一次側コイルＬ1と二次側コイルＬ2，Ｌ3とは絶縁されているので互いに直列に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの入力と出力が短絡状態になることが避けられる。
【００５３】
以上説明したように、上記構成によれば、直流電源装置３を構成する２レベルコンバータ５´によって交流電圧から電力変換された直流電圧を、サーバ装置４を構成する複数のＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎで分割するとともに該各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎがそれぞれ分割された直流電圧をさらに電力変換（降圧）して負荷８−１〜８−Ｎに出力している。このため、交流電源から負荷までの電力変換の変換段数は２レベルコンバータ５´が１段目となりＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎが２段目となる。
【００５４】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段に減少するので電力変換効率のさらなる向上を図ることができる。
【００５５】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１の前段には蓄電池７が接続されている。
具体的には、蓄電池７の正極がノードＮ3-1に接続され負極がノードＮ3-nに接続されて構成されている。蓄電池７を接続することにより、前記各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの前段に配置された直流電源装置３を構成するＡＣ―ＤＣコンバータ５に異常が生じた場合においても蓄電池７から各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎへの電力供給が継続されるので負荷８−１〜８−Ｎへの電力供給が停止することがない。
【００５６】
尚、上記した蓄電池の接続態様以外でも、例えば、複数の各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの前段にそれぞれ対応するように複数の蓄電池を接続してもよい。
[第２の実施形態]
以下に本発明の第２の実施形態について図３を参照して説明する。図３は第２の実施形態に係る電力変換システム３０の構成を表す図である。
【００５７】
電力変換システム３０は、複数の単位セルコンバータ３５−１〜３５−Ｎを有して構成され交流電源９から供給される交流電圧（例えば200V）を第１の直流電圧（例えば380V）に変換し、さらに単位セルに相当する直流電圧（セル数が８個の場合は48V）に変換して出力するマルチセルコンバータを備えた直流電源部３と、サーバ装置４を備えて構成され交流電源９に接続された複数の１９インチラック２−１〜２−Ｎ（Ｎは２以上の整数）とを含んで構成されている（図１参照）。
【００５８】
サーバ装置４は、互いに直列に接続された複数のＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎ（Ｎは２以上の整数）と該各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎのそれぞれに接続された負荷（例えば、メモリ）８−１〜８−Ｎ（Ｎは２以上の整数）とを備えて構成されている。
【００５９】
ここで、本第２の実施の形態に係る電力変換システム３０は上記した第１の実施の形態に係る電力変換システム１のＡＣ−ＤＣコンバータとして機能する２レベルコンバータ５´をＡＣ−ＤＣコンバータとして機能するマルチセルコンバータ（複数の単位セルコンバータ３５−１〜３５−Ｎ）に変更している点以外は第１の実施の形態と同じであるので、ここでは単位セルコンバータ３５−１〜３５−Ｎの構成及び動作のみ説明し、それ以外の各部については説明を省略する。
【００６０】
単位セルコンバータ３５−１，３５−Ｎは、それぞれインダクタＬ10，Ｌ13を介して交流電源（図示せず）に接続されている。各マルチセルコンバータ３５−１〜３５−ＮはインダクタＬ11，Ｌ12を介して互いに直列に接続されている。
【００６１】
各単位セルコンバータ３５−１〜３５−Ｎは全て同じ構成であるのでここでは単位セルコンバータ３５−１を例にとって説明する。
単位セルコンバータ３５−１は、オンオフ機能を有するスイッチング素子４１〜４４と、それぞれスイッチング素子４１〜４４に逆並列に接続され整流機能を有するダイオードＤ１３〜Ｄ１６と、出力電圧を脈動分の少ない電圧にする平滑コンデンサＣ1aとを備えて構成されている。
【００６２】
各スイッチング素子４１〜４４は自己消孤機能を有する半導体スイッチ素子であり、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。
以下に、ＡＣ−ＤＣコンバータ５が、例えば、単位セルコンバータを８個直列に接続されて構成された場合を例にとってマルチセルコンバータの動作について説明する。
【００６３】
各単位セルコンバータ３５−１〜３５−８は、交流電源９からの交流電圧に基く基本波（例えば、正弦波）と別に用意した三角波信号とをＰＷＭ（パルス幅変調）制御して高周波電圧を出力する。
【００６４】
各単位セルコンバータ３５−１〜３５−８では、例えば、基本波（正極）と三角波信号を比較して基本波の出力レベルが三角波信号の出力レベル以上になったときに一対のスイッチング素子４１，４４がオンするように制御され、基本波（負極）と三角波信号を比較して基本波の出力レベルが三角波信号の出力レベルを下回るときに一対のスイッチング素子４２，４３がオンするように制御されるとともにダイオードＤ１３〜Ｄ１６による全波整流を行い、これらの動作が交互に繰り返される。
【００６５】
このようにして、各単位セルコンバータ３５−１〜３５−８は交流電圧（本例では200V）を直流電圧に電力変換すると同時にさらに低圧の直流電圧（本例では48V）を出力する。
【００６６】
従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８が互いに直列に接続された形態では、平滑コンデンサＣ1a〜Ｃ8aの容量が全て同一である場合にＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８には概ね４８ボルトの直流電圧が入力される。以降の動作は上記した第１の実施の形態と同じである。
【００６７】
以上説明したように、上記した構成によれば、直流電源装置３を構成するマルチセルコンバータによって交流電圧を第１の直流電圧に電力変換するとともに該第１の直流電圧をさらに低圧である第２の直流電圧に電力変換し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎによって第２の直流電圧をさらに低圧である第３の直流電圧に電力変換して負荷８−１〜８−Ｎに出力している。このため、交流電源から負荷までの電力変換の変換段数は２レベルコンバータ５´が１段目となりＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎが２段目となる。
【００６８】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段に減少するので電力変換効率のさらなる向上を図ることができる。
【００６９】
また、マルチセルコンバータを構成する単位セルコンバータの数を増加することによりインダクタＬ10〜インダクタＬ13の一つあたりのインダクタの巻線数を少なくすることができ、フィルタ一個あたりのコストを削減することができる。
【００７０】
ここで、本実施形態においては、２レベルコンバータ５´が本発明請求項１、３の電力変換手段に相当し、単位セルコンバータ３５−１〜３５−Ｎからなるマルチセルコンバータが本発明請求項２、４の電力変換手段に相当し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎが本発明の降圧手段に相当する。
【００７１】
以上本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて種々の態様をとることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１…電力変換システム、２−１〜２−Ｎ…１９インチラック、３…直流電源部、４…サーバ装置、５…ＡＣ−ＤＣコンバータ、５´…２レベルコンバータ、６−１〜６−Ｎ…ＤＣ−ＤＣコンバータ、８−１〜８−Ｎ…負荷、１０〜１９、４１〜４４…スイッチング素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流入力電圧を整流し、整流後の直流電圧を負荷が要求する電圧に変換する電力変換システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ネットワークを経由した情報処理を行うのに必要なサーバ装置を高密度で集積したデータセンターではサーバ装置内の負荷（例えば、ＣＰＵやメモリ）に給電する際、無停電電源装置への蓄電のために交流電圧から直流電圧への電力変換後に再び交流電圧へ電力変換し、その後交流電圧から直流電圧への電力変換を多数の電力変換器を介して行う、いわゆる交流給電システムが採用されていた。
【０００３】
近年、データセンターや通信ビルなどに構築される情報通信システムでは、使用される情報通信機器の増加に伴い、消費電力が増大しているため、情報通信システムでの消費電力を低減することが要求されている。この消費電力の低減を図るためには電力変換効率の向上が不可欠である。
【０００４】
そこで、電力変換効率の向上を図るために、交流電源から供給される交流電圧（例えば200V）を第１の直流電圧（例えば380V）に変換する電力変換器と該直流電圧を降圧するための降圧手段とを含む電力変換システム（直流給電システム）が提案されている。
【０００５】
この提案の電力変換システム１００は、具体的には、図４に示すように交流電源１１０に接続されたＨＶＤＣ（higher voltage direct current：高電圧直流給電装置）１０１及び該ＨＶＤＣ１０１に接続された複数の１９インチラック１０２−１〜１０２−Ｎ（Ｎは２以上の整数）を備えて構成されている。１９インチラックは主としてサーバ装置等の情報通信機器を数十台収納するラックである。
【０００６】
ＨＶＤＣ１０１は交流電源１１０から供給される交流電圧（例えば200V）を第１の直流電圧（例えば380V）に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１０６を含む直流電源部１０５を備えている。
【０００７】
各１９インチラック１０２−１〜１０２−Ｎはそれぞれ各サーバ装置１０３−１〜１０３−Ｎを備えている。
各サーバ装置１０３−１〜１０３−Ｎのそれぞれの構成は全て同じであるので以下ではサーバ装置１０３−１を例にして説明する。
【０００８】
サーバ装置１０３−１は、第１の直流電圧を第２の直流電圧（例えば48V）に変換（降圧）するＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば、特許文献１参照）１０７と、第２の直流電圧の出力のバラツキを抑制（定電圧制御）するためのＤＣ−ＤＣコンバータ１０８と、第２の直流電圧を第３の直流電圧（例えば1.2V）に変換（降圧）するＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎ（Ｎは２以上の整数）と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎにそれぞれ接続され第３の直流電圧が入力される負荷１１０−１〜１１０−Ｎ（Ｎは２以上の整数）とを備えて構成されている。
【０００９】
尚、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０８、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎ及び負荷１１０−１〜１１０−Ｎはサーバ装置１０３−１のオンボード１０４−１を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−１４２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記した電力変換システム１００は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０６、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０８、及び、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎの電力変換部を備えており、交流電源１１０から負荷１１０−１〜１１０−Ｎまでの電力変換の変換段数は４段である。ＡＣ−ＤＣコンバータ１０６による電力変換効率が概ね９５％程度であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７による電力変換効率が概ね９５％程度であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０８による電力変換効率が概ね９７％程度であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎによる電力変換効率が概ね９１％程度である。
【００１２】
ここで、交流電源から負荷までの電力変換効率は各電力変換効率を乗算して得られる。例えば、交流電源１１０から負荷１１０−１〜１１０−Ｎまでの電力変換効率は概ね８０％程度となる。
【００１３】
しかしながら、上記電力変換手段においてこの電力変換効率のさらなる向上を図るためには電力変換器を構成する電子部品の材料特性の向上等が必要となってしまいコストがかかってしまう。
【００１４】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、電力変換手段に着目し電子部品の材料特性向上に依存することなく電力変換効率のさらなる向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
かかる目的を達成するためになされた本発明の第１の態様に係る電力変換システムは、交流電源から供給された交流電圧（交流電力）を直流電圧（直流電力）に変換する電力変換手段と、互いに直列に接続され前記交流電源に接続されるとともに出力が並列に接続され、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段とを備えて構成されている。
【００１６】
本発明では、交流電源から供給された交流電圧を負荷が要求する直流電圧に電力変換するという点では上記した従来の電力変換システム（従来技術）と同じである。
しかし、従来技術では、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０６、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０８、及び、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０９−１〜１０９−Ｎの４つの電力変換部で電力変換を行っているため、交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が４段である。これに対し、本発明では、電力変換手段によって交流電圧から電力変換された直流電圧を複数の降圧手段で分割するとともに該各降圧手段のそれぞれが分割された直流電圧をさらに電力変換（降圧）して負荷に出力しているので、交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が２段である。
【００１７】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段に減少するので電力変換効率のさらなる向上が図れる。
【００１８】
本発明の第２の態様に係る電力変換システムは、互いに直列に接続され交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換して出力する複数の電力変換手段と、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段とを備え、前記複数の各降圧手段が複数の前記各電力変換手段のそれぞれに接続されるとともに、出力が並列に接続されて構成されている。
【００１９】
本発明では、交流電源から供給された交流電圧を負荷が要求する直流電圧に電力変換するという点では上記した従来の電力変換システム（従来技術）と同じである。
しかし、従来技術では、上記したように交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が４段であるのに対し、本発明では、前記複数の各電力変換手段によって交流電圧を分割するとともに該分割された交流電圧を直流電圧に変換して出力し、各降圧手段によって分割された直流電圧を負荷が要求する直流電圧にさらに電力変換（降圧）しているので交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が２段である。
【００２０】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段減少するので電力変換効率のさらなる向上が図れる。
【００２１】
本発明の第３の態様に係る電力変換システムは、交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する電力変換手段を有する直流電源装置と、互いに直列に接続され前記交流電源に接続されるとともに出力が並列に接続され、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段及び該各降圧手段のそれぞれに接続された複数の負荷を有するサーバ装置とを備えて構成されている。
【００２２】
本発明では、交流電源から供給された交流電圧を負荷が要求する直流電圧に電力変換するという点では上記した従来の電力変換システム（従来技術）と同じである。
しかし、従来技術では、上記したように交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が４段であるのに対し、本発明では、直流電源装置を構成する電力変換手段によって交流電圧から電力変換された直流電圧を、サーバ装置を構成する複数の降圧手段で分割するとともに該各降圧手段のそれぞれが分割された直流電圧をさらに電力変換（降圧）して負荷に出力しているので、交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が２段である。
【００２３】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段に減少するので電力変換効率のさらなる向上が図れる。
【００２４】
また、従来技術では１９インチラックが直流電源装置としてのＨＶＤＣに接続された構成となっているのに対し、本発明では直流電源装置が１９インチラックに含まれた構成となっているため、１９インチラック内のサーバ装置と直流電源装置を接続するコネクタケーブルの長さを短くすることができる。従って、コネクタケーブルにかかるコストを低減することができる。
【００２５】
本発明の第４の態様に係る電力変換システムは、互いに直列に接続され交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換して出力する複数の電力変換手段を有する直流電源装置と、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段と該各降圧手段のそれぞれに接続された複数の負荷とを有するサーバ装置とを備え、前記複数の各降圧手段が複数の前記各電力変換手段のそれぞれに接続されるとともに出力が並列に接続されて構成されている。
【００２６】
本発明では、交流電源から供給された交流電圧を負荷が要求する直流電圧に電力変換するという点では上記した従来の電力変換システム（従来技術）と同じである。
しかし、従来技術では、上記したように交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が４段であるのに対し、本発明では、直流電源装置を構成する電力変換手段によって交流電圧を分割するとともに該分割された交流電圧を直流電圧に電力変換（降圧）して出力し、サーバ装置を構成する複数の各降圧手段のそれぞれによって分割された直流電圧を、サーバ装置を構成する負荷が要求する直流電圧にさらに電力変換（降圧）しているので交流電源から負荷までの電力変換の変換段数が２段である。
【００２７】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段減少するので電力変換効率のさらなる向上が図れる。
【００２８】
また、従来技術では１９インチラックが直流電源装置としてのＨＶＤＣに接続された構成となっているのに対し、本発明では直流電源装置が１９インチラックに含まれた構成となっているため、１９インチラック内のサーバ装置と直流電源装置を接続するコネクタケーブルの長さを短くすることができる。従って、コネクタケーブルにかかるコストを低減することができる。
【００２９】
本発明の第５の態様に係る電力変換システムは、前記各降圧手段の前段に蓄電池が接続されていることを特徴とする。
従って、前記各降圧手段の前段に配置された直流電源装置を構成する電力変換手段に異常が生じた場合においても蓄電池から前記各降圧手段への電力供給が継続されるので負荷への電力供給が停止することがない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る電力変換システムの構成を表す図である。
【図２】第１の実施形態の電力変換システムの構成を表す図である。
【図３】第２の実施形態の電力変換システムの構成を表す図である。
【図４】従来の電力変換システムの構成を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
[第１の実施形態]
以下に本発明の第１の実施形態について図１を参照して説明する。図１は第１の実施形態の電力変換システムの構成を表す図である。
【００３２】
電力変換システム１は、具体的には、図１に示すように交流電源９に接続された複数の１９インチラック２−１〜２−Ｎ（Ｎは２以上の整数）を備えて構成されている。
１９インチラック２−１〜２−Ｎは、それぞれ交流電源９から供給される交流電圧（例えば200V）を第１の直流電圧（例えば380V）に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ５を含む直流電源部３と、サーバ装置４を備えて構成されている。
【００３３】
サーバ装置４は、互いに直列に接続された複数のＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎ（Ｎは２以上の整数）と該各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎのそれぞれに接続された負荷（例えば、メモリ）８−１〜８−Ｎ（Ｎは２以上の整数）とを備えて構成されている。
【００３４】
ＡＣ−ＤＣコンバータ５として、例えば、図２に示すような２レベルコンバータ５´が用いられる。
２レベルコンバータ５´は、いわゆるマルチレベルコンバータの一態様として知られており、いわゆる「三相電圧形インバータ」と同様の回路構成であり、オンオフ機能を有するスイッチング素子１０〜１５と、それぞれ各スイッチング素子１０〜１５に逆並列に接続され整流機能を有するダイオードＤ１〜Ｄ６と、互いに直列に接続され出力電圧（ノードＮ3-1とノードＮ3-nの間の電圧）を脈動分の少ない電圧にする平滑コンデンサＣ1a〜ＣNa（Ｎは２以上の整数）とを備えて構成されている。
【００３５】
各スイッチング素子１０〜１５は自己消孤機能を有する半導体スイッチ素子であり、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。
尚、上記した２レベルコンバータ５´の代わりに、例えば、５レベルコンバータを用いてもよい。この５レベルコンバータとしては、５レベルダイオードクランプ形、５レベルフライングキャパシタ形及び５レベルチェーンリンク形等が知られている。
【００３６】
この５レベルコンバータは、半周期につき５段階の値（プラス側最大値、プラス側中間値、０、マイナス側中間値、マイナス側最大値）をとるようにコンバータ内のスイッチング素子を制御することにより高周波電圧を出力している。このような制御を行うことにより２レベルコンバータよりも出力電圧の高調波成分を少なくできる。
【００３７】
Ｎ個の平滑コンデンサＣ1a〜ＣNaは互いに直列に接続されている。互いに直列に接続された各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−ＮはノードＮ3-1及びノードＮ3-nを介して交流電源９に接続されている。
【００３８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１のハイサイドの入力端子（ノードＮ3-1）は平滑コンデンサＣ1aを介してローサイドの入力端子（ノードＮ3-2）に接続されている。
上記同様に複数の各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−２〜６−Ｎについては、それぞれＤＣ−ＤＣコンバータ６−２〜６−Ｎのハイサイドにおける入力側ノード（ノードＮ3-2〜ノードＮ3-(n-1)）がそれぞれ平滑コンデンサＣ2a〜ＣNaを介して各平滑コンデンサＣ2a〜ＣNaに対応するローサイドの入力側ノード（ノードＮ3-3〜ノードＮ3-n）に接続されている。
【００３９】
ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎのそれぞれは、いわゆる絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであり、オンオフ機能を有するスイッチング素子１６〜１９と、一次側ダイオードＤ７〜Ｄ１０と、トランス２０と、二次側ダイオードＤ１１，Ｄ１２と、コイルＬ4と、平滑コンデンサＣbを備えて構成されている。
【００４０】
尚、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータとしては、上記したフルブリッジ方式の他に、フライバック方式、フォワード方式、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式のものでもよい。
スイッチング素子１６〜１９は自己消孤機能を有する半導体スイッチ素子であり、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。
【００４１】
各スイッチ部１６〜１９にはそれぞれ整流機能を有する一次側ダイオードＤ７〜Ｄ１０が逆並列に接続されている。
トランス２０は一次側コイルＬ1と二次側コイルＬ2，Ｌ3を備えて構成されている。二次側コイルＬ2，Ｌ3はノードＮ5を介して互いに直列に接続されている。二次側コイルＬ2の一端にはダイオードＤ１１のアノードが接続され、他端にはダイオードＤ１２のアノードが接続されている。コイルＬ4の一端にはダイオードＤ１１、Ｄ１２のカソードが接続されており、他端にはコンデンサＣbの一端が接続されている。コンデンサＣbの他端はノードＮ5に接続されている。
【００４２】
複数のＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの出力は並列に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの出力（直流電圧）はそれぞれ負荷８−１〜８−Ｎに供給されている。
【００４３】
尚、並列に接続された各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの出力が、上記したように対応する各負荷８−１〜８−Ｎに供給されるような接続態様だけでなく、複数の負荷８−１〜８−Ｎの内の少なくとも一つの負荷（例えば、負荷８−１）にのみ供給されるような接続態様でもよい。
【００４４】
以下に、本第１の実施の形態に係る電力変換システム１の動作について説明する。
２レベルコンバータ５´を構成するスイッチング素子１０〜１５のスイッチング制御について、単相（例えば、Ｕ相）で考えると、例えばスイッチング素子１０、１３を一対とし、スイッチング素子１１、１２を一対として交互にオンオフするとともにダイオードＤ１〜Ｄ４による全波整流を行うことにより交流電源９からの交流電圧（例えばAC200V）を直流電圧（例えばDC380V）に変換する。
【００４５】
他の相（例えば、Ｖ相）についても上記同様にスイッチング素子１２、１５を一対とし、スイッチング素子１３、１４を一対とし交互にオンオフするとともにダイオードＤ３〜Ｄ６による全波整流を行うことにより交流電圧を直流電圧に変換する。
【００４６】
さらに別の相（例えば、Ｗ相）についてもスイッチング素子１０、１５を一対とし、スイッチング素子１１、１４を一対として交互にオンオフするとともにダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ５、Ｄ６による全波整流を行うことにより交流電圧を直流電圧に変換する。
【００４７】
上記したスイッチング制御により、ノードＮ3-1とノードＮ3-n（ｎは２以上の整数）間には、第１の直流電圧（第１のコンバータ電圧、例えば、ＤＣ３８０Ｖ）が発生する。
互いに直列に接続された各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎのそれぞれの入力側には、平滑コンデンサＣ1a〜ＣNaの容量が全て同一である場合に３８０／Ｎボルトの電圧が
発生する。
【００４８】
例えば、平滑コンデンサが８個直列に接続され、８個の平滑コンデンサに対応するＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８が互いに直列に接続された形態では、平滑コンデンサＣ1a〜Ｃ8aの容量が全て同一である場合にＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８の入力側に概ね４８ボルトの直流電圧が供給される。
【００４９】
また、上記したようにＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８によって直列に分割された直流電圧（DC48V）に不平衡（バラツキ）が生じた場合には、（１）別途直流電圧バランス回路をＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８に接続する方法、（２）ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８の二次側に一次側と同様の構成のフルブリッジ回路を接続し一次側及び二次側全体でいわゆる双方向回路として機能させ、回生電力を不平衡（バラツキ）が生じていない他のＤＣ−ＤＣコンバータから供給する方法により分割された直流電圧の不平衡を改善することができる。
【００５０】
尚、ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８のそれぞれの構成は全て同じであるので、以下ではＤＣ−ＤＣコンバータ６−１を例として説明する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１では、スイッチング素子１６、１９を一対とし、スイッチング素子１７、１８を一対とし交互にオンオフすることにより一次側コイルＬ1にはプラス４８ボルトとマイナス４８ボルトの直流電圧（高周波）が交互に発生する。
【００５１】
一次側コイルＬ1にプラス４８ボルトが発生した場合には二次側コイルＬ2側に所定の変圧比で変圧された直流電圧、本例では１．２ボルトの直流電圧がダイオードＤ１１を介して負荷８−１に供給される。一次側コイルＬ1にマイナス４８ボルトが発生した場合には二次側コイルＬ3側に所定の変圧比で変圧された１．２ボルトの直流電圧がダイオードＤ１２を介して負荷８−１に供給される。
【００５２】
尚、一次側コイルＬ1と二次側コイルＬ2，Ｌ3とは絶縁されているので互いに直列に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの入力と出力が短絡状態になることが避けられる。
【００５３】
以上説明したように、上記構成によれば、直流電源装置３を構成する２レベルコンバータ５´によって交流電圧から電力変換された直流電圧を、サーバ装置４を構成する複数のＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎで分割するとともに該各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎがそれぞれ分割された直流電圧をさらに電力変換（降圧）して負荷８−１〜８−Ｎに出力している。このため、交流電源から負荷までの電力変換の変換段数は２レベルコンバータ５´が１段目となりＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎが２段目となる。
【００５４】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段に減少するので電力変換効率のさらなる向上を図ることができる。
【００５５】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１の前段には蓄電池７が接続されている。
具体的には、蓄電池７の正極がノードＮ3-1に接続され負極がノードＮ3-nに接続されて構成されている。蓄電池７を接続することにより、前記各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの前段に配置された直流電源装置３を構成するＡＣ―ＤＣコンバータ５に異常が生じた場合においても蓄電池７から各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎへの電力供給が継続されるので負荷８−１〜８−Ｎへの電力供給が停止することがない。
【００５６】
尚、上記した蓄電池の接続態様以外でも、例えば、複数の各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎの前段にそれぞれ対応するように複数の蓄電池を接続してもよい。
[第２の実施形態]
以下に本発明の第２の実施形態について図３を参照して説明する。図３は第２の実施形態に係る電力変換システム３０の構成を表す図である。
【００５７】
電力変換システム３０は、複数の単位セルコンバータ３５−１〜３５−Ｎを有して構成され交流電源９から供給される交流電圧（例えば200V）を第１の直流電圧（例えば380V）に変換し、さらに単位セルに相当する直流電圧（セル数が８個の場合は48V）に変換して出力するマルチセルコンバータを備えた直流電源部３と、サーバ装置４を備えて構成され交流電源９に接続された複数の１９インチラック２−１〜２−Ｎ（Ｎは２以上の整数）とを含んで構成されている（図１参照）。
【００５８】
サーバ装置４は、互いに直列に接続された複数のＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎ（Ｎは２以上の整数）と該各ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎのそれぞれに接続された負荷（例えば、メモリ）８−１〜８−Ｎ（Ｎは２以上の整数）とを備えて構成されている。
【００５９】
ここで、本第２の実施の形態に係る電力変換システム３０は上記した第１の実施の形態に係る電力変換システム１のＡＣ−ＤＣコンバータとして機能する２レベルコンバータ５´をＡＣ−ＤＣコンバータとして機能するマルチセルコンバータ（複数の単位セルコンバータ３５−１〜３５−Ｎ）に変更している点以外は第１の実施の形態と同じであるので、ここでは単位セルコンバータ３５−１〜３５−Ｎの構成及び動作のみ説明し、それ以外の各部については説明を省略する。
【００６０】
単位セルコンバータ３５−１，３５−Ｎは、それぞれインダクタＬ10，Ｌ13を介して交流電源（図示せず）に接続されている。各マルチセルコンバータ３５−１〜３５−ＮはインダクタＬ11，Ｌ12を介して互いに直列に接続されている。
【００６１】
各単位セルコンバータ３５−１〜３５−Ｎは全て同じ構成であるのでここでは単位セルコンバータ３５−１を例にとって説明する。
単位セルコンバータ３５−１は、オンオフ機能を有するスイッチング素子４１〜４４と、それぞれスイッチング素子４１〜４４に逆並列に接続され整流機能を有するダイオードＤ１３〜Ｄ１６と、出力電圧を脈動分の少ない電圧にする平滑コンデンサＣ1aとを備えて構成されている。
【００６２】
各スイッチング素子４１〜４４は自己消孤機能を有する半導体スイッチ素子であり、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。
以下に、ＡＣ−ＤＣコンバータ５が、例えば、単位セルコンバータを８個直列に接続されて構成された場合を例にとってマルチセルコンバータの動作について説明する。
【００６３】
各単位セルコンバータ３５−１〜３５−８は、交流電源９からの交流電圧に基く基本波（例えば、正弦波）と別に用意した三角波信号とをＰＷＭ（パルス幅変調）制御して高周波電圧を出力する。
【００６４】
各単位セルコンバータ３５−１〜３５−８では、例えば、基本波（正極）と三角波信号を比較して基本波の出力レベルが三角波信号の出力レベル以上になったときに一対のスイッチング素子４１，４４がオンするように制御され、基本波（負極）と三角波信号を比較して基本波の出力レベルが三角波信号の出力レベルを下回るときに一対のスイッチング素子４２，４３がオンするように制御されるとともにダイオードＤ１３〜Ｄ１６による全波整流を行い、これらの動作が交互に繰り返される。
【００６５】
このようにして、各単位セルコンバータ３５−１〜３５−８は交流電圧（本例では200V）を直流電圧に電力変換すると同時にさらに低圧の直流電圧（本例では48V）を出力する。
【００６６】
従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８が互いに直列に接続された形態では、平滑コンデンサＣ1a〜Ｃ8aの容量が全て同一である場合にＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−８には概ね４８ボルトの直流電圧が入力される。以降の動作は上記した第１の実施の形態と同じである。
【００６７】
以上説明したように、上記した構成によれば、直流電源装置３を構成するマルチセルコンバータによって交流電圧を第１の直流電圧に電力変換するとともに該第１の直流電圧をさらに低圧である第２の直流電圧に電力変換し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎによって第２の直流電圧をさらに低圧である第３の直流電圧に電力変換して負荷８−１〜８−Ｎに出力している。このため、交流電源から負荷までの電力変換の変換段数は２レベルコンバータ５´が１段目となりＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎが２段目となる。
【００６８】
従って、交流電源から負荷までの変換段数は、従来技術では４段であるのに対し本発明の電力変換システムでは２段となり、変換段数が２段に減少するので電力変換効率のさらなる向上を図ることができる。
【００６９】
また、マルチセルコンバータを構成する単位セルコンバータの数を増加することによりインダクタＬ10〜インダクタＬ13の一つあたりのインダクタの巻線数を少なくすることができ、フィルタ一個あたりのコストを削減することができる。
【００７０】
ここで、本実施形態においては、２レベルコンバータ５´が本発明請求項１、３の電力変換手段に相当し、単位セルコンバータ３５−１〜３５−Ｎからなるマルチセルコンバータが本発明請求項２、４の電力変換手段に相当し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６−１〜６−Ｎが本発明の降圧手段に相当する。
【００７１】
以上本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて種々の態様をとることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１…電力変換システム、２−１〜２−Ｎ…１９インチラック、３…直流電源部、４…サーバ装置、５…ＡＣ−ＤＣコンバータ、５´…２レベルコンバータ、６−１〜６−Ｎ…ＤＣ−ＤＣコンバータ、８−１〜８−Ｎ…負荷、１０〜１９、４１〜４４…スイッチング素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する電力変換手段と、
互いに直列に接続され前記交流電源に接続されるとともに出力が並列に接続され、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段とを備える
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項２】
互いに直列に接続され交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換して出力する複数の電力変換手段と、
入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段とを備え、
前記複数の各降圧手段が複数の前記各電力変換手段のそれぞれに接続されるとともに、出力が並列に接続されている
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項３】
交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する電力変換手段を有する直流電源装置と、
互いに直列に接続され前記交流電源に接続されるとともに出力が並列に接続され、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段、及び、該各降圧手段のそれぞれに接続された複数の負荷を有するサーバ装置とを備えている
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項４】
互いに直列に接続され交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換して出力する複数の電力変換手段を有する直流電源装置と、
入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段と該各降圧手段のそれぞれに接続された複数の負荷とを有するサーバ装置とを備え、
前記複数の各降圧手段が複数の前記各電力変換手段のそれぞれに接続されるとともに出力が並列に接続されている
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項５】
前記各降圧手段の前段に蓄電池が接続されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の電力変換システム。
【請求項１】
交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する電力変換手段と、
互いに直列に接続され前記交流電源に接続されるとともに出力が並列に接続され、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段とを備える
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項２】
互いに直列に接続され交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換して出力する複数の電力変換手段と、
入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段とを備え、
前記複数の各降圧手段が複数の前記各電力変換手段のそれぞれに接続されるとともに、出力が並列に接続されている
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項３】
交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する電力変換手段を有する直流電源装置と、
互いに直列に接続され前記交流電源に接続されるとともに出力が並列に接続され、入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段、及び、該各降圧手段のそれぞれに接続された複数の負荷を有するサーバ装置とを備えている
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項４】
互いに直列に接続され交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換して出力する複数の電力変換手段を有する直流電源装置と、
入力側と出力側が絶縁されている複数の降圧手段と該各降圧手段のそれぞれに接続された複数の負荷とを有するサーバ装置とを備え、
前記複数の各降圧手段が複数の前記各電力変換手段のそれぞれに接続されるとともに出力が並列に接続されている
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項５】
前記各降圧手段の前段に蓄電池が接続されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の電力変換システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１４３１０４（Ｐ２０１２−１４３１０４Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６９１（Ｐ２０１１−６９１）
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（５９３０６３１６１）株式会社ＮＴＴファシリティーズ (475)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（５９３０６３１６１）株式会社ＮＴＴファシリティーズ (475)
【Ｆターム（参考）】
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