CN100502216C - 非隔离式交流电源装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非隔离式交流电源装置及其控制方法，只使用一个直流电压总线(DC voltage Bus)，并维持输出以及输入的中性线(Neutral)直接连接，并可容许输出和输入具有相位差时，仍然可以达到高效率的交流电源稳压输出，其中本发明当遇到交流输入电压和交流输出电压的电位处于不同正负电位区间时，令系统工作于一驰返模式(Flyback mode)以确保不会有异常回路电流的问题发生，在交流输入电压和交流输出电压的电位处于相同正负电位区间时，则工作于升压模式(Boost mode)以获取高效率的电源输出。

Description

非隔离式交流电源装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种非隔离式交流电源装置及其控制方法，尤指一种可应用于频率变动较快的交流电源输入，当交流电源输入其频率变动较快时，在装置遇到交流输入电压和交流输出电压电位处于不同正负电位区间时，操作于一驰返模式(Flyback mode)以解决交流电源输入与交流输出电压两者不同相位的非隔离单总线(BUS)式的电源装置。

背景技术

在传统不间断电源系统(UPS)系统中，依据电源装置有无采用隔离变压器(isolated transformer)，可概略将UPS区分为隔离式与非隔离式两款，因为当输入市电经变频器(inverter)转换电源供给予负载时，法规要求该变频器(inverter)输出的中性线(Neutral)必须保持输入市电其中性线的特性，即可避免受电击(Electric Shock)的危险。也就是中性线对地线(ground)的电压必须低于规定的危险电压。为符合前述法规要求，通常是将输入市电的中性线与变频器(inverter)输出的中性线两者直接连接在一起。对于早期的单直流电压总线(DC voltage Bus)架构而言，变频器(inverter)输出除非经过一隔离变压器隔离，否则旁路(bypass)的中性线无法与变频器(inverter)输出的中性线直接相连接在一起。但是前述低频隔离变压器不仅体积庞大笨重且价格亦不便宜，甚至对于电源装置的系统转换效率更有很大的限制。故双直流转换器(DoubleConversion)架构的非隔离式UPS便衍生出来且进而取代的。

请参阅图11至图13所示，在现有的非隔离式UPS系统中，由于输入市电中性线直接连接到输出端而成为变频器(inverter)输出的中性线，因此采用双直流电压总线，并以一半桥架构(halfbridge)来做为变频器(inverter)的输出级。由于此种架构具有双直流电压总线，当连接的负载为一非平衡式负载(unbalanced load)或电感性负载时，就会造成两个直流电压总线的间的电压不平衡，而必须采用较多的电容来应付此非平衡式负载的要求，若非如此，则当电容容量不够时，将导致其中一个直流电压总线上的电压过高或过低，使系统工作异常而进入保护模式(fault)。

鉴于双直流电压总线的上述缺点，采用单直流电压总线架构的UPS便提出来以克服前述缺失，让负载于正负半周均使用同一个直流电压总线，并配合全桥(full bridge)变频器(inverter)做为输出级。此种架构不但克服上述缺失，还可令输出电感铁心的损耗祇有以前的一半，并可使用较低耐电压的电容与半导体切换开关，电容的个数亦可缩减的。请参阅图14所示，为一习用非隔离式单直流电压总线架构的UPS，惟其缺点是必须维持变频器(inverter)的输出必须永远与输入端的市电同相位，以维持输出和输入的电位正负向永远相同，否则由于是非隔离式，则会造成异常的回路电流。例如当变频器(inverter)输出为正半周时，开关Q1必须导通以令变频器(inverter)能切换出正电压，如果此时输入的市电电位不是在同向的正电压，而是负电压时，则将产生如图虚线所示的异常回路电流现象。同理，当变频器(inverter)输出为负半周时，若市电电位恰为正向时，则亦会有异常的回路电流发生的误动作情形。

因此当输入的市电品质不良、频率变动太快时，前述架构将会产生问题，尤其当输入的交流电源来源是来自于市售的发电机(generator)时，因发电机(generator)的频率变动极快，更需藉由UPS系统净化输入电源，则前述架构显然无法达到这项要求。

而在长时间停电的情况下，需要很长的UPS电池供电时间，如果只以增加电池个数来解决，由于电池的成本很高也很占空间，因此通常使用者会要求UPS也能够使用发电机做为输入电源，以便在长时间停电时，也能以发电机克服长时间停电，并经由UPS提供一个纯净的电源。因此，需要一个能够解决上述缺点的非隔离式单直流电压总线架构的UPS。

发明内容

有鉴于前述习用方式的缺点，本发明的主要目的提供一种非隔离式交流电源装置及其控制方法，当输入的交流电源频率变动较大时，仍可确保输入的交流电源不影响变频器(inverter)输出的操作，以解决异常回路电流发生的问题。

为实施前述目的，本发明提供一种非隔离式交流电源装置的控制方法，应用于一接收交流输入电源的电源装置，该方法包含：当该电源装置的交流输入电源的电压相位与该电源装置的输出电压相位不同时，其中，该电源装置的交流输入电源与输出电压有共同连接于一中性线，于该电源装置的交流输入电源和该电源装置的输出电压的电位处于不同正负电位区间时，令电源装置工作于一驰返模式，交流输入电源的能量先储存于一电感中而不直接供应予负载，尔后由该电感释放能量予一非连接到该中性线的总线电容，以避免该电源装置的交流输入电源与输出电压发生异常回路电流。

为达上述目的，本发明还提供一种非隔离式交流电源装置，其包含有：

一交流/直流转换单元，其输入端连接一交流输入电源，该交流输入电源有一中性线；

一直流/交流转换单元，连接前述交流/直流转换单元的输出，将直流切换成一交流输出电压供电予一负载，该直流/交流转换单元的输出端连接该中性线；

其中，当交流输入电源电压的相位异于交流输出电压的相位时，令前述交流/直流转换单元工作于一驰返模式，输入电源的能量先储存于该交流/直流转换单元的一电感(L1)中，而不直接供应予负载，尔后由该电感释放能量予一非连接到该中性线的总线电容(C1)，进而供电给负载。

为达上述目的，本发明另提供一种非隔离式不间断电源装置，其包含有：

一交流/直流转换单元，其输入端连接一交流输入电源，该交流输入电源有一中性线；

一直流/交流转换单元，其连接前述交流/直流转换单元的输出，将直流切换成一交流输出电压供电予一负载，该直流/交流转换单元的输出端连接该中性线；

一电池备源电路，于市电正常状况时系储备能量，于市电中断或发生异常时，将转由该电池备源电路持续供应予负载；

其中，当输入电源电压相位与交流输出电压相位不同时，令前述交流/直流转换单元工作于一驰返模式，市电输入的能量先储存于该交流/直流转换单元的一电感中而不直接供应予负载，尔后由该电感释放能量予一非连接到该中性线的总线电容(C1)进而供电给负载。

通过选择适当的工作模式，即使交流输入电源品质不佳，本发明的电源装置仍可正常操作且无异常回路电流的虞，再者由于UPS系统绝大多数都会对输入电源做锁相(phase lock)动作，因此UPS的大部分时间都是输入电压和输出电压的电位处于同向的正负电位，所以本发明仍可主要操作于升压模式(Boost mode)以获得较高的工作效率。

附图说明

图1为本发明一实施例的电路架构图。

图2为本发明电路动作时序示意图。

图3为本发明的两切换开关Q1、Q2均为导通时的电路动作图，其中交流输入电源为正相位。

图4为本发明的两切换开关Q1、Q2均为导通时的电路动作图，其中交流输入电源为负相位。

图5为本发明的两切换开关Q1、Q2均为截止时的电路动作图。

图6为本发明的切换开关Q1导通而另一切换开关Q2截止时的电路动作图。

图7为本发明的切换开关Q1截止而另一切换开关Q2导通时的电路动作图。

图8为本发明另一实施例的电路图。

图9为本发明又一实施例的电路图。

图10A～图10C为本发明连接一电池备源电路而成为不断电为统的电路图。

图11～图13为习用非隔离式双总线bus架构的UPS。

图14为一习用非隔离式单总线bus架构的UPS。

图中符号说明

10            交流输入电源   20  交流/直流转换单元

21            全桥整流器     30  直流/交流转换单元

40            负载

60            电池备源电路

Q1、Q2        切换开关

Q3～Q6        开关晶体

C1            总线电容(BUS电容)

C2            输出电容

L1            电感            L2 输出电感

具体实施方式

请参阅图1所示，为本发明非隔离单总线(single BUS)电源装置一实施例的架构图，惟本发明的实施态样并非仅局限于图中所示电路。图1电路中包含有：

一交流/直流转换单元20，其输入端连接交流输入电源10；

一直流/交流转换单元30，连接前一级交流/直流转换单元20的输出，本实施例中由四个开关晶体Q3～Q6构成一全桥变频器，将直流切换成交流型态供电予一负载40，其中上述全桥变频器的输出连接有一输出电感L2及一输出电容C2，又交流输入电源10的中性线直接连接至输出电容C2，成为输出端的中性线；

其中前述交流/直流转换单元20包含有一全桥整流器21，该全桥整流器21的两输出端各连接有一切换开关Q1、Q2，于两切换开关Q1、Q2间连接有一电感L1，又该电感L1两端各别连接呈反向设置的二极管D1、D2，两二极管D1、D2复连接有一总线电容C1(BUS电容)，以构成单BUS的架构。

而有关前述实施例的动作，根据交流输入电源10的状况可操作于下列数种模式：

一.驰返模式(Flyback mode)

本发明的驰返模式应用于当交流输入电源10频率变动极大时，例如来源为品质较差的发电机，可允许本发明接受任何频率快速变动的输入电源，藉此防止输入电压相位与输出电压不同相时所导致的异常回路电流。

如图2D、H两区段所示，当交流输入电源10为正电位，而输出却为负电位时，两切换开关Q1、Q2同步由脉宽调变信号PWM控制，当两切换开关Q1、Q2均同步导通时，其电路动作如图3所示，对电感L1进行充电动作；而当切换开关Q1、Q2均同步截止后，电路动作如图5所示，由电感L1上储存的能量释放予该总线电容C1，再由总线电容C1供应予负载40。

另一方面，当交流输入电源10为负电位，而输出却为正电位时，如图2B、F两区段所示，两切换开关Q1、Q2同样采取同步式的脉宽调变信号控制。当两切换开关Q1、Q2均同步导通时，其电路动作如图4所示，对电感L1进行充电动作；而当切换开关Q1、Q2均同步截止后，电路动作如图5所示，由电感L1上储存的能量释放予该总线电容C1，再由总线电容C1供应予负载40。

二.升压模式(Boost Mode)

当交流输入电源10与装置的输出电源处于相同正负电位区间时，令电源装置工作于升压模式，而不必使用前述的驰返模式，以提高系统效率。

请参阅图2A、E两区段，当交流输入电源10为正电位，而输出亦为正电位时，切换开关Q1一直保持导通状态，而另一切换开关Q2以脉宽调变PWM信号控制，其中若切换开关Q2呈导通时，其电流路径如图3所示；若切换开关Q2截止后，其电流路径如图6所示，此刻应保持开关晶体Q3为断开状态，以避免异常回路电流。

又，当交流输入电源10与装置的输出电源处于相同的负电位区间时(如图2C、G两区段)，电源装置亦同样工作于升压模式，惟此时是切换开关Q2恒保持导通状态，而另一切换开关Q1以脉宽调变PWM信号控制，其中当切换开关Q1呈导通时，其电流路径如图4所示；若切换开关Q1截止后，其电流路径如图7所示，此刻亦应保持开关晶体Q4为断开，以避免异常回路电流。

惟无论是于正、负电位区间，均是令电感L1储存升压所需的能量，再由该电感L1释放能量以提升总线电容C1电压，以达到高效率运作。

请参阅图8、图9所示，本发明的具体实施架构并非仅局限于前述实施例的态样，亦可将电路如图所示加以适当修改，但仍是以驰返模式(flyback mode)的设计精神来解决输入市电与输出电压两者不同相所造成的问题。

另一方面，前述各实施例的电路可直接接收市电而提供一高品质的洁净电源予负载，故可视为为一种市电稳压器。然而，若是基于前述市电稳压器的架构的下，再额外加上一组电池备源电路60(如图10A～图10C)所示，即成为一不断电电源系统UPS，该电池备源电路60于市电正常状况的下可储备能量，一旦市电中断或发生异常时，将转由该电池备源电路供应予负载。

综上所述，本发明的供电技术，对于输入市电品质不稳、频率变化快速时，能藉由一驰返模式(Flyback Mode)避免市电与输出电压因不同相所导致的异常回路问题；再者，对于品质较佳的市电输入，亦可选用升压模式(Boost mode)以提高整体装置的工作效率，相较于目前的电源供电技术，本发明确实极具进步性且符合发明专利要件，依法提出申请。

Claims (14)

1.一种非隔离式交流电源装置的控制方法，应用于一接收交流输入电源的电源装置，其特征在于，该方法包含：

当该电源装置的交流输入电源的电压相位与该电源装置的输出电压相位不同时，其中，该电源装置的交流输入电源与输出电压有共同连接于一中性线，于该电源装置的交流输入电源和该电源装置的输出电压的电位处于不同正负电位区间时，令电源装置工作于一驰返模式，交流输入电源的能量先储存于一电感中而不直接供应予负载，尔后由该电感释放能量予一非连接到该中性线的总线电容，以避免该电源装置的交流输入电源与输出电压发生异常回路电流。

2.如权利要求1所述的非隔离式交流电源装置的控制方法，其特征在于，当输入至该电源装置的交流输入电源的电压相位与该电源装置的输出电压相位相同时，电源装置工作于一升压模式下，前述电感先行贮存升压所需的能量，再由该电感释放能量提高该总线电容的电压。

3.一种非隔离式交流电源装置，其特征在于，包含有：

一交流/直流转换单元，其输入端连接一交流输入电源，该交流输入电源有一中性线；

一直流/交流转换单元，连接前述交流/直流转换单元的输出，将直流切换成一交流输出电压供电予一负载，该直流/交流转换单元的输出端连接该中性线；

其中，当交流输入电源电压的相位异于交流输出电压的相位时，令前述交流/直流转换单元工作于一驰返模式，输入电源的能量先储存于该交流/直流转换单元的一电感中，而不直接供应予负载，尔后由该电感释放能量予一非连接到该中性线的总线电容，进而供电给负载。

4.如权利要求3所述非隔离式交流电源装置，其特征在于，前述交流/直流转换单元包含有：

一全桥整流器，该全桥整流器的两输出端各连接有一切换开关，于两切换开关间连接有该电感，又该电感的一端连接一二极管的阳极，该电感的另一端连接另一二极管的阴极，两二极管未连接该电感的另一端则连接前述总线电容的两端以构成单总线架构。

5.如权利要求3或4所述非隔离式交流电源装置，其特征在于，前述直流/交流转换单元的输出连接有一输出电感及一输出电容，交流输入电源的中性线直接连接至输出电容，而成为输出端的中性线，其中该输出电容连接负载。

6.如权利要求3或4所述非隔离式交流电源装置，其特征在于，前述直流/交流转换单元为一全桥变频器。

7.如权利要求5所述非隔离式交流电源装置，其特征在于，前述直流/交流转换单元为一全桥变频器。

8.如权利要求3所述非隔离式交流电源装置，其特征在于，当交流输入电源的电压相位与该电源装置的输出电压相位相同时，该交流/直流转换单元工作于一升压模式下，前述电感先行贮存升压所需的能量，再由该电感释放能量提高该总线电容的电压。

9.一种非隔离式不间断电源装置，其特征在于，包含有：

一交流/直流转换单元，其输入端连接一交流输入电源，该交流输入电源有一中性线；

一直流/交流转换单元，其连接前述交流/直流转换单元的输出，将直流切换成一交流输出电压供电予一负载，该直流/交流转换单元的输出端连接该中性线；

一电池备源电路，于市电正常状况时系储备能量，于市电中断或发生异常时，将转由该电池备源电路持续供应予负载；

其中，当输入电源电压相位与交流输出电压相位不同时，令前述交流/直流转换单元工作于一驰返模式，市电输入的能量先储存于该交流/直流转换单元的一电感中而不直接供应予负载，尔后由该电感释放能量予一非连接到该中性线的总线电容进而供电给负载。

10.如权利要求9所述的非隔离式不间断电源装置，其特征在于，前述交流/直流转换单元包含有：

一全桥整流器，该全桥整流器的两输出端各连接有一切换开关，于两切换开关间连接有该电感，又该电感的一端连接一二极管的阳极，该电感另一端连接另一二极管的阴极，两二极管未连接该电感的另一端则连接前述总线电容的两端以构成单总线架构。

11.如权利要求9或10所述的非隔离式不间断电源装置，其特征在于，前述直流/交流转换单元的输出连接有一输出电感及一输出电容，又交流输入电源的中性线直接连接至输出电容，而成为输出端的中性线，其中该输出电容连接负载。

12.如权利要求9或10所述的非隔离式不间断电源装置，其特征在于，前述直流/交流转换单元为一全桥变频器。

13.如权利要求11所述的非隔离式不间断电源装置，其特征在于，前述直流/交流转换单元为一全桥变频器。

14.如权利要求9所述的非隔离式不间断电源装置，其特征在于，当交流输入电源的电压相位与该电源装置的输出电压相位相同时，该交流/直流转换单元工作于一升压模式下，前述电感先行贮存升压所需的能量，再由该电感释放能量提高该总线电容的电压。

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