CN100438260C - 升压电路的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种升压电路的控制方法，其适用于不断电电源供应系统，该不断电电源供应系统包含电池模组、包含多个切换元件的升压电路，且该不断电电源供应系统于电池供电模式下运作。该控制方法包含下列步骤：检测该电池模组的输出电压值及该升压电路的稳态设定值；于该电池模组的该输出电压值小于该升压电路的该稳态设定值时，输出高频切换信号以控制该升压电路的该多个切换元件运作，以使该升压电路的输出电压大于该电池模组的输出电压；于该电池模组的该输出电压值大于该升压电路的该稳态设定值时，输出相比于该高频切换信号为低的低频切换信号以控制该升压电路的该多个切换元件运作，以使该升压电路的输出电压等于该电池模组的输出电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制方法，尤指一种适用于在线型不断电电源供应系统的升压电路的控制方法。
背景技术
不断电电源供应系统(UPS)是一种连接在市电电源与负载之间的装置，而不断电电源供应系统的主要目的在于当市电电源发生异常时，用来紧急提供负载运作所需的电源，以确保负载的正常运作。
为了更有效更安全的保护重要电子装置，不断电电源供应系统已被普遍应用来确保各种电子装置的正常运作，而目前的不断电电源供应系统电路架构大致上可区分为在线型(On-Line)、电源互动型(Line-Interactive)以及离线型(Off-Line)三种。
请参阅图1(a)，其显示已知在线型不断电电源供应系统的电路方块示意图。如图所示，在线型不断电电源供应系统10主要包含交流/直流转换器(AC/DC converter)101、直流/直流转换器102、直流/交流转换器103、开关元件104、开关元件105、电池模组106、控制电路107、旁路(bypass)108以及充电电路109，用以提供负载11运作所需的电压。
交流/直流转换器101用来接收市电交流电压Vin，并将市电交流电压Vin转换成直流电压。充电电路109与交流/直流转换器101电连接，用以接收交流/直流转换器101输出的直流电压，并将直流电压转换成电池模组106所需的直流电压，用以对电池模组106进行充电。至于，开关元件104、开关元件105以及直流/直流转换器102受控于控制电路107，控制电路107通过检测市电交流电压Vin以及电池模组106所能输出的电压来控制开关元件104及开关元件105的开关状态。
其中，旁路(Bypass)108适用于当在线型不断电电源供应系统10内部的电路发生故障而无法提供负载11所需的电压时，控制电路107将控制开关元件104切换至旁路(Bypass)108回路，改由市电直接提供负载11运作所需的电压。
请参阅图1(b)及(c)，其为已知使用双直流电压的半桥单相在线型不断电电源供应系统以及三相在线型不断电电源供应系统的部分电路示意图，如图1(b)及(c)所示，当市电正常供电时(称为AC模式)，交流/直流转换器101其作用为先将市电交流电源Vin整流成直流电压，再由使用双升压形式的直流/直流转换器102将直流电压升高并稳压，最后由直流/交流转换器103将直流电压转换成交流电压Vout并传送至负载11(如图1(a)所示)。
至于，直流/直流转换器102则通过其内部的切换元件S1及S2的切换频率，以使交流/直流转换器101所输出的直流电压升高，请参阅图1(d)，其为切换元件S1及S2的控制时序图，由图中可知，在AC模式下切换元件S1及S2两者之间采用交互切换的方式来运作，且切换元件S1及S2本身的切换频率使用高频切换的方式，由图中可知，在工作周期T1的时间内，切换元件S2完全处于关闭的状态，而切换元件S1则以高频率切换的方式不断重复进行导通及关闭的动作，反之，在工作周期T2的时间内，切换元件S1完全处于关闭的状态，而切换元件S2则以高频率切换的方式不断重复进行导通及关闭的切换动作，因此可通过切换元件S1及S2高频交互切换的方式将电池模组106输入直流/直流转换器102的直流电压升高。
反之，当市电无法正常供电而需改由电池模组106输出直流电压时(称为DC模式)，电池模组106所输出的直流电压VBAT将经由直流/直流转换器102升压后传输至直流/交流转换器103，再经由直流/交流转换器103转换为交流输出电压Vout，最后，经由开关元件104输出至负载11。
请再参阅图1(d)，在DC模式下切换元件S1及S2同样使用高频切换的方式来运作，如图所示，在工作周期T1的时间内，切换元件S2完全处于导通的状态，而切换元件S1则以高频率切换的方式不断重复进行导通及关闭的动作，反之，在工作周期T2的时间内，切换元件S1完全处于导通的状态，而切换元件S2则以高频率切换的方式不断重复进行导通及关闭的切换动作，因此会通过切换元件S1及S2高频切换的方式将电池模组106输入直流/直流转换器102的直流电压升高，而此种高频切换控制方式仅适用于直流/直流转换器102正负直流侧P1及P2的稳压设定值大于电池模组106的输出电压VBAT。
因此，当上述电路应用于较低的电压系统及较高电池电压的条件下时，此切换控制方式将不适用，举例而言，当负载11所需的运作电压为120V，而电池模组106内部串联12个电池且每个电池输出12V的电压时，直流侧电压依输出电压及较佳的转换效率设定为±DC220V，电池模组106的输出电压VBAT＝144V，根据图1(d)所示的直流/直流转换器102的切换元件S1及S2的切换控制方式，电池模组106的输出电压VBAT＝144V将升压为±DC220V，即直流/直流转换器102正直流侧P1的输出电压VDC+＝220V，而负直流侧P2的输出电压VDC-＝-220V，而直流/直流转换器102的正负直流侧P1及P2的输出电压VDC+及VDC-经由直流/交流转换器103转换后将输出120V的交流电压，以提供给负载11。
当负载11所需的运作电压为220V，而电池模组106内部串联20个电池且每个电池输出12V的电压时，直流侧电压依输出电压及较佳的转换效率设定为±DC360V，电池模组106的输出电压VBAT＝240V，根据图1(d)所示的直流/直流转换器102的切换元件S1及S2的高频切换控制方式，电池模组106的输出电压VBAT＝240V将升压为±360V的直流电压，即直流/直流转换器102正直流侧P1的输出电压VDC+＝360V，而负直流侧P2的输出电压VDC-＝-360V，而直流/直流转换器102的正负直流侧P1及P2的输出电压VDC+及VDC-经由直流/交流转换器103转换后将输出220V的交流电压，以提供给负载11。
由于，在DC模式下直流/直流转换器102的切换元件S1及S2使用高频切换的方式，因此直流/直流转换器102正负直流侧P1及P2的输出电压VDC+及VDC-会大于电池模组106的输出电压VBAT，因此，当负载11需要较低的运作电压，即直流/直流转换器102正负直流侧的稳压设定值需小于电池模组106的输出电压的情况时，已知不断电电源供应系统10将无法满足这项要求，举例而言，当负载11所需的运作电压为120V的交流电压，但是电池模组106内部串联20个电池时，直流侧电压依输出电压设定及较佳的转换效率为±DC220V，由于已知双升压直流/直流转换器102转换后的输出电压VDC+及VDC-一定会大于电池模组106的输出电压VBAT，因此电池模组106的输出电压VBAT＝240V将升压为较高的直流电压，而经由直流/交流转换器103转换后将输出120V的交流电压，以提供给负载11，此种方式的转换效率较低且直流侧电解电容的耐压亦须较高。
而且，已知直流/直流转换器102的切换元件S1及S2的切换方式为高频脉冲宽度调制，故其切换损失较大，整体效率较低。
因此，如何发展一种可改善上述已知技术缺失的升压电路的控制方法，实为目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种升压电路的控制方法，通过控制直流/直流转换器的切换元件的切换频率的方式，使得直流/直流转换器转换后的输出电压实质上等于电池模组的输出电压，以解决传统直流/直流转换器于电池供电模式下切换元件使用高频切换的方式，将使得直流/直流转换器转换后的输出电压必定会大于电池模组的输出电压，则此切换控制方式将不适用于较低的电压系统或较高电池电压的条件下，将造成切换损失较大，效率较低等缺点。
为达上述目的，本发明的一个较广义实施方式为提供一种升压电路的控制方法，其适用于不断电电源供应系统，该不断电电源供应系统包含电池模组、包含多个切换元件的升压电路，且该不断电电源供应系统于电池供电模式下运作，该控制方法系包含下列步骤：检测该电池模组的输出电压值及该升压电路的稳态设定值；于该电池模组的该输出电压值小于该升压电路的该稳态设定值时，输出第一切换信号以控制该升压电路的该多个切换元件运作，以使该升压电路的输出电压大于该电池模组的输出电压；以及于该电池模组的该输出电压值大于该升压电路的该稳态设定值时，输出第二切换信号以控制该升压电路的该多个切换元件运作，以使该升压电路的输出电压等于该电池模组的输出电压。
根据本发明的构想，其中该电池模组包含多个电池。
根据本发明的构想，其中该升压电路为双升压电路。
根据本发明的构想，其中该升压电路为直流/直流转换器。
根据本发明的构想，其中该第一切换信号相较于该第二切换信号为高频切换信号。
根据本发明的构想，其中该第二切换信号相较于该第一切换信号为低频切换信号。
根据本发明的构想，其中该直流/直流转换器包含切换元件S1及切换元件S2。
根据本发明的构想，其中该低频切换信号的切换速率为240Hz。
根据本发明的构想，其中该不断电电源供应系统为在线型不断电电源供应系统。
为达上述目的，本发明的另一较广义实施方式为提供一种升压电路的控制方法，其适用于不断电电源供应系统，该不断电电源供应系统包含电池模组、包含多个切换元件的升压电路，且该不断电电源供应系统于电池供电模式下运作，该控制方法包含下列步骤：检测该电池模组的输出电压值及该升压电路的稳态设定值；以及于该电池模组的该输出电压值大于该升压电路的该稳态设定值时，输出低频切换信号以控制该升压电路的该多个切换元件运作，以使该升压电路的输出电压等于该电池模组的输出电压。
利用本发明，即使在较低的电压系统或较高电池电压的条件下，仍具有切换损失较小、效率较高的优点。
附图说明
图1(a)为在线型不断电电源供应系统的电路方块示意图。
图1(b)为已知使用双直流电压的半桥式单相在线型不断电电源供应系统的部分电路示意图。
图1(c)为已知使用双直流电压的半桥式三相在线型不断电电源供应系统的部分电路示意图。
图1(d)为图1(b)及图1(c)所示的切换元件S1及S2的控制时序图。
图2为本发明较佳实施例的升压电路的控制方法的流程图。
图3为本发明较佳实施例的升压电路的切换元件S1及S2的控制时序图。
图4(a)为使用双电池架构的半桥式单相在线型不断电电源供应系统的部分电路示意图。
图4(b)为使用双电池架构的半桥式三相在线型不断电电源供应系统的部分电路示意图。
图4(c)为图4(a)及图4(b)所示的于电池模组的输出电压小于直流/直流转换器的稳态设定值时切换元件S1及S2的控制时序图。
图4(d)为本发明较佳实施例的升压电路的于电池模组的输出电压大于直流/直流转换器的稳态设定值时切换元件S1及S2的控制时序图。
其中，附附图记说明如下：
10不断电电源供应系统
101交流/直流转换器
102直流/直流转换器(升压电路)
103直流/交流转换器
104、105开关元件
106电池模组
107控制电路
108旁路
109充电电路
11负载
S1、S2切换元件
VBAT、VDC+、VDC-、Vout、Vin 电压
P1正直流侧
P2负直流侧
S21～S23用以控制升压电路的切换元件的步骤
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之的用，而非用以限制本发明。
请再参阅图1(a)～(c)，本发明的控制方法所适用的在线型不断电电源供应系统10包含电池模组106、控制电路107以及包含切换元件S1及S2的直流/直流转换器102，其中，直流/直流转换器102为升压电路，且以一双升压电路为佳，至于，于本较佳实施例所引述的关于在线型不断电电源供应系统的电路架构请参阅图1(a)～(c)，于此不再赘述。
于本实施例中，当在线型不断电电源供应系统10所连接的市电正常供电时(即AC模式)，交流/直流转换器101其作用为先将市电交流电源Vin整流成直流电压，再由使用双升压形式的直流/直流转换器102将直流电压升高并稳压，最后由直流/交流转换器103将直流电压转换成交流电压Vout并传送至负载11(如图1(a)所示)。
至于，直流/直流转换器102则通过其内部的切换元件S1及S2的切换频率，以使交流/直流转换器101所输出的直流电压升高。请参阅图3，其为本较佳实施例的切换元件S1及S2的控制时序图，由图中可知，在AC模式下切换元件S1及S2两者之间采用交互切换的方式来运作，且切换元件S1及S2的切换频率使用高频切换的控制方式(与图1(d)所述的AC模式相同)，由图中可知，在工作周期T1的时间内，切换元件S2完全处于关闭的状态，而切换元件S1则以高频率切换的方式不断重复进行导通及关闭的动作，反之，在工作周期T2的时间内，切换元件S1完全处于关闭的状态，而切换元件S2则以高频率切换的方式不断重复进行开启及导通的切换动作，因此可通过切换元件S1及S2高频交互切换的方式将电池模组106输入直流/直流转换器102的直流电压升高。
请参阅图2，其为本发明较佳实施例的升压电路的控制方法的流程图，当市电无法正常供电而改由电池模组106提供直流电压时，不断电电源供应系统10需由一般市电供电模式转换为电池供电模式(称为DC模式)，当在线型不断电电源供应系统10于电池供电模式下运作时，控制直流/直流转换器102内部的切换元件S1及S2的步骤为：首先，通过控制电路107来检测电池模组106内部多个电池所能输出的电压值VBAT，以及直流/直流转换器102直流侧的稳态设定值(步骤S21)。
接着，根据检测结果，控制电路107将输出切换信号来控制直流/直流转换器102内部的切换元件S1及S2的切换频率，以决定直流/直流转换器102的输出电压大小，当检测结果为电池模组106的输出电压值VBAT小于直流/直流转换器102正负直流侧P1及P2的稳态设定值时，控制电路107将输出一高频切换信号至直流/直流转换器102，而此种运作情形系与图1(d)所示的DC模式相同，如图所示，在工作周期T1的时间内，切换元件S2处于完全导通的状态，而切换元件S1则以高频率切换的方式不断重复进行导通及关闭的动作，反之，在工作周期T2的时间内，切换元件S1处于完全导通的状态，而切换元件S2则以高频率切换的方式不断重复进行导通及关闭的切换动作，因此，通过切换元件S1及S2使用高频切换的方式，将使得电池模组106的输出电压VBAT经由直流/直流转换器102升压转换成大于电池模组106的输出电压的直流电压，(步骤S22)，而直流/直流转换器102的正负直流侧P1及P2的输出电压VDC+及VDC-经由直流/交流转换器103转换后将输出交流电压Vout，以提供给负载11。
举例而言，当负载11所需的运作电压为220V的交流电压，电池模组106内部串联20个电池且每个电池输出12V的电压时，电池模组106的输出电压VBAT＝240V，根据图1(d)所示的DC模式，直流/直流转换器102的切换元件S1及S2使用高频切换方式，进而使电池模组106的输出电压VBAT＝240V将升压为±360V的直流电压，即直流/直流转换器102正直流侧P1的输出电压VDC+＝360V，而负直流侧P2的输出电压VDC-＝-360V，而直流/直流转换器102的正负直流侧P1及P2的输出电压VDC+及VDC-再经由直流/交流转换器103转换后将输出220V的交流电压，以提供给负载11。
反之，当在线型不断电电源供应系统10应用于需要较低电压的负载11或是电池模组106会输出较高电池电压的条件下时，表示电池模组106的输出电压VBAT会大于直流/直流转换器102的稳态设定值，因此，控制电路107将使用电压随耦型控制方式来控制直流/直流转换器102的切换元件S1及S2，即输出一低频切换信号至直流/直流转换器102，使切换元件S1及S2两者之间采用交互切换的方式来运作，且控制切换元件S1及S2以低频切换的方式来运作，如图3所示的DC模式，通过切换元件S1及S2低频交互切换的方式将使得电池模组106传送至直流/直流转换器102的电压不会进行升压转换，故直流/直流转换器102正直流侧P1及负直流侧P2的输出电压VDC+及VDC-将等于电池模组106所输出的电池电压(步骤S23)，而直流/直流转换器102的正负直流侧P1及P2的输出电压VDC+及VDC-，即为电池模组106所输出的电池电压VBAT，经由直流/交流转换器103转换后将输出交流电压Vout，以提供给负载11，可解决已知使用高频切换方式时，所造成的直流/交流转换器103转换效率低及直流侧电解电容耐压选用须较高的问题。
举例而言，当负载11所需的运作电压为120V的交流电压，但是电池模组106内部串联20个电池且每个电池输出12V的电压时，电池模组106的输出电压VBAT＝240V，即电池模组106的输出电压值VBAT大于直流/直流转换器102正负直流侧的稳态设定值，而直流/直流转换器102的切换元件S1及S2通过图3所示的低频切换的方式来运作，由图中可知，在DC模式下切换元件S1及S2两者之间采用交互切换的方式来运作，且切换元件S1及S2本身的切换频率使用低频切换的控制方式，由图中可知，当切换元件S2关闭时，切换元件S1则导通，且切换元件S1将一直维持导通的状态，而不会如图1(d)所示的DC模式重复进行导通及关闭的切换动作，直到切换元件S2导通时，切换元件S1才会切换至关闭状态，反之，当切换元件S1关闭时，切换元件S2则导通，且切换元件S2将一直维持导通的状态，而不会如图1(d)所示的DC模式重复进行导通及关闭的切换动作，直到切换元件S1导通时，切换元件S2才会切换至关闭状态，由于，切换元件S1及S2采用低频交互切换的方式运作，因此直流/直流转换器102正直流侧P1及负直流侧P2的输出电压VDC+及VDC-等于电池模组106所输出的电池电压，即VDC+＝240V及VDC-＝-240V，而直流/直流转换器102的正负直流侧P1及P2的输出电压VDC+及VDC-经由直流/交流转换器103转换后将输出约为120V的交流电压，以提供给负载11，因此直流/交流转换器103会有较佳的转换效率且直流侧的电解电容耐压选用亦较低。
于本实施例中，图3所示的DC模式的切换元件S1及S2的低频切换信号的切换速率可为240Hz，但不以此为限。
请参阅图4(a)及(b)，其为使用双电池架构的双直流电压的半桥单相在线型不断电电源供应系统以及三相在线型不断电电源供应系统的部分电路示意图，如图4(a)及(b)所示，电池模组106由两组电池所构成，至于图中所示的交流/直流转换器101、直流/直流转换器102、直流/交流转换器103以及开关元件105的电路设计原理及所能达成的目的及功效系已详述于背景技术及第一较佳实施例中，因此不再赘述。
请参阅图4(c)，其为图4(a)及图4(b)所示的于电池模组的输出电压VBAT小于直流/直流转换器102正负直流侧P1及P2的稳态设定值时，切换元件S1及S2的控制时序图，如图所示，当市电正常供电时(称为AC模式)时，切换元件S1及S2两者之间采用交互切换的方式来运作，且切换元件S1及S2本身的切换频率使用高频切换的方式，由图中可知，在工作周期T1的时间内，切换元件S2完全处于关闭的状态，而切换元件S1则以高频率切换的方式不断重复进行导通及关闭的动作，反之，在工作周期T2的时间内，切换元件S1完全处于关闭的状态，而切换元件S2则以高频率切换的方式不断重复进行导通及关闭的切换动作，因此可通过切换元件S1及S2高频交互切换的方式将电池模组106输入直流/直流转换器102的直流电压升高。
反之，当市电无法正常供电而需改由电池模组106输出直流电压时(称为DC模式)，切换元件S1及S2同样使用高频切换的方式来运作，如图所示，在工作周期T1的时间内，切换元件S2完全处于关闭的状态，而切换元件S1则以高频率切换的方式不断重复进行导通及关闭的动作，反之，在工作周期T2的时间内，切换元件S1完全处于关闭的状态，而切换元件S2则以高频率切换的方式不断重复进行导通及关闭的切换动作，因此会通过切换元件S1及S2高频切换的方式将电池模组106输入直流/直流转换器102的直流电压升高。
当在线型不断电电源供应系统10处于电池供电模式下且需要较低电压的负载11或是电池模组106会输出较高电池电压的条件下时，表示电池模组106的输出电压VBAT会大于直流/直流转换器102正负直流侧P1及P2的稳态设定值，于此实施例中，控制电路107将控制切换元件S1及S2一直处于关闭的状态(如图4(d)中DC模式所示)，将使得电池模组106传送至直流/直流转换器102的电压不会进行升压转换，故直流/直流转换器102正直流侧P1及负直流侧P2的输出电压VDC+及VDC-将等于电池模组106所输出的电池电压，而直流/直流转换器102的正负直流侧P1及P2的输出电压VDC+及VDC-，即为电池模组106所输出的电池电压VBAT，经由直流/交流转换器103转换后将输出交流电压Vout，以提供给负载11，可解决已知使用高频切换方式时，所造成的直流/交流转换器103转换效率低及直流侧电解电容耐压选用须较高的问题。
至于，当在线型不断电电源供应系统10处于图4(d)所示的AC模式中时，切换元件S1及S2之间切换的方式与图4(c)所示的AC模式相同，因此不再赘述。
综上所述，本发明的控制方法适用于不断电电源供应系统内部的升压电路，当不断电电源供应系统内部的电池模组的输出电压值大于升压电路的稳态设定值时，通过将直流/直流转换器的切换元件S1及S2的切换频率由高频切换转换成低频切换的方式，使得直流/直流转换器的输出电压实质上等于电池模组的输出电压，如此一来，经由直流/交流转换器的转换效率会较高，电解电容的耐压选用亦会较符合经济效益，而且，本发明于电池供电模式下所使用的低频切换控制方式，可有效降低切换损失，及提高效率。
本发明得由本领域技术人员做各种改型和变化，然皆不脱如所附的权利要求书所欲保护的范围。
Claims (8)
1.一种升压电路的控制方法，其适用于不断电电源供应系统，该不断电电源供应系统系包含电池模组、包含多个切换元件的升压电路，且该不断电电源供应系统于电池供电模式下运作，该控制方法包含下列步骤：
检测该电池模组的输出电压值及该升压电路的稳态设定值；
于该电池模组的该输出电压值小于该升压电路的该稳态设定值时，输出高频切换信号以控制该升压电路的该多个切换元件运作，以使该升压电路的输出电压大于该电池模组的输出电压；以及
于该电池模组的该输出电压值大于该升压电路的该稳态设定值时，输出相比于该高频切换信号为低的低频切换信号以控制该升压电路的该多个切换元件以交互切换的方式运作，以使该升压电路的输出电压等于该电池模组的输出电压。
2.如权利要求1所述的升压电路的控制方法，其中该电池模组包含多个电池。
3.如权利要求1所述的升压电路的控制方法，其中该升压电路为双升压电路。
4.如权利要求1所述的升压电路的控制方法，其中该升压电路为直流/直流转换器。
5.如权利要求4所述的升压电路的控制方法，其中该直流/直流转换器包含两个切换元件。
6.如权利要求1所述的升压电路的控制方法，其中该低频切换信号的切换速率为240Hz。
7.如权利要求1所述的升压电压的控制方法，其中该不断电电源供应系统为在线型不断电电源供应系统。
8.一种升压电路的控制方法，其适用于不断电电源供应系统，该不断电电源供应系统包含电池模组、包含多个切换元件的升压电路，且该不断电电源供应系统于电池供电模式下运作，该控制方法包含下列步骤：
检测该电池模组的输出电压值及该升压电路的稳态设定值；以及
于该电池模组的该输出电压值大于该升压电路的该稳态设定值时，输出低频切换信号以控制该升压电路的该多个切换元件以交互切换的方式运作，以使该升压电路的输出电压等于该电池模组的输出电压。
Priority Applications (1)
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| CNB2005100547279A CN100438260C (zh) | 2005-03-11 | 2005-03-11 | 升压电路的控制方法 |
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Patent Citations (5)
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