CN101409453A - 一种不间断电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不间断电源，包括正相升压模块、市电副相升压模块、二次电池、第一储能器、第二储能器、逆变模块和降压－升压双向变换器；正相升压模块输入与二次电池和市电耦合，其输出与第一储能器输入耦合；市电副相升压模块输出与第二储能器输入耦合；第一储能器和第二储能器输出与逆变模块输入耦合；降压－升压双向变换器连接在二次电池和第二储能器之间，用于在市电模式下将负母线直流电压降压给二次电池充电，在电池模式下将二次电池电压升压给第二储能器充电。本发明提供了一种新的拓扑结构，比现有的拓扑结构更为经济。

Description

一种不间断电源

技术领域

本发明涉及一种不间断电源。

背景技术

随着通讯和电子工业的不断发展，人们对电源的稳定性和可靠性的要求越来越高。不间断电源就是能够为计算机、服务器、通讯设备等提供高可靠高稳定性电源的产品。随着计算机和计算机网络的广泛应用，对单进单出在线式UPS的需求也越来越多。目前在线式中小功率UPS设计一般都采用美国专利US6069412中所描述的架构，即电池负极与零线共地，电池升压和市电升压共用元件的方式。但是，上述现有技术的不足之处在于：需要另设市电模式下的充电电路对电池进行充电，该另设的充电电路会增加UPS的成本。

发明内容

本发明就是为了克服以上的不足，提出了一种新的不间断电源，这种新的不间断电源可以省去充电电路。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种不间断电源，包括正相升压模块、市电副相升压模块、二次电池、第一储能器、第二储能器、逆变模块；所述正相升压模块输入与二次电池和市电耦合，其输出与第一储能器输入耦合，所述正相升压模块用于将市电或二次电池输出的正相电压变换成第一储能器上的正母线直流电压；所述市电副相升压模块输出与第二储能器输入耦合，所述市电副相升压模块用于将市电输出的负相电压变换成第二储能器上的负母线直流电压；所述第一储能器和第二储能器输出与逆变模块输入耦合，所述逆变模块用于将正、负母线直流电压变换成正弦的交流输出电压；还包括降压-升压双向变换器，所述降压-升压双向变换器连接在所述二次电池和第二储能器之间，用于在市电模式下将负母线直流电压降压给二次电池充电，在电池模式下将二次电池电压升压给第二储能器充电。

优选地，所述正相升压模块包括第一晶闸管、第一电感、第一开关管、第一二极管和第三晶闸管；所述第一储能器为第一电容，所述不间断电源还包括控制模块；所述市电火线经第一晶闸管与第一电感的一端连接，所述第一电感的另一端与第一开关管集电极和第一二极管的阳极分别连接，所述第一二极管与第一电容的正极连接，第一电容的负极、第一开关管的发射极、二次电池负极分别与市电零线相连；所述第三晶闸管一端与二次电池正极相连，另一端连至第一晶闸管和第一电感之间，所述第一开关管基极与控制模块相耦合。

所述市电副相升压模块包括第二晶闸管、第二电感、第二开关管、第二二极管，所述第二储能器为第二电容，所述市电零线与第二开关管的集电极和第二电容的正极分别连接，所述第二电容的负极与第二二极管阳极连接，所述第二电感的一端与第二二极管的阴极、第二开关管的发射极分别连接，所述第二电感的另外一端经第二晶闸管连接至市电火线；所述第二开关管基极与控制模块相耦合。

所述降压-升压双向变换器包括第三开关管、第四开关管和第三电感；所述二次电池正极与第三开关管集电极连接，第三开关管的发射极与第三电感一端、第四开关管的集电极分别连接，所述第三电感另外一端与二次电池的负极连接，所述第四开关管的发射极与第二电容的负极连接；所述第三开关管和第四开关管基极与控制模块相耦合。

还包括第三二极管，所述第三二极管阳极与第三开关管的集电极连接，其阴极与所述第一电容的正极连接。

本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明通过降压-升压双向变换器的设置，可以将电池模式负母线升压和市电模式电池充电两部分整合到成一个。而且本发明无需独立的充电器，可以降低成本，比现有的拓扑结构更为经济。本发明实现了区别于现有技术的一种新的简单、经济的在线式UPS主电路的设计方案。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的降压电路的结构示意图；

图3a、3b是本发明具体实施方式的控制模块的切换电路示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种不间断电源，包括正相升压模块、市电副相升压模块、二次电池、第一储能器、第二储能器、逆变模块和降压-升压双向变换器。所述正相升压模块输入与二次电池和市电耦合，其输出与第一储能器输入耦合，所述正相升压模块用于将市电或二次电池输出的正相电压变换成第一储能器上的正母线直流电压。即当市电正常时(即处于市电模式时)，正相升压模块就将市电输出的正相电压变换成第一储能器上的正母线直流电压；当市电不存在或者异常时(即处于电池模式时)，正相升压模块就将二次电池输出的正相电压变换成第一储能器上的正母线直流电压，从而维持正相母线直流电压。所述市电副相升压模块输出与第二储能器输入耦合，所述市电副相升压模块用于将市电输出的负相电压变换成第二储能器上的负母线直流电压。所述降压-升压(Buck-Boost)双向变换器连接在所述二次电池和第二储能器之间；在电池模式下，所述降压-升压双向变换器将二次电池输出的负相电压变换成第二储能器上的正母线直流电压，从而维持负相母线直流电压；在市电模式下，所述降压-升压双向变换器逆向工作，将负母线直流电压降压，来完成对二次电池的充电。所述第一储能器和第二储能器输出与逆变模块输入耦合，所述逆变模块用于将正、负母线直流电压变换成正弦的交流输出电压。

如图1所示，该在线UPS输入为交流市电电压，其电压范围为165～275伏；UPS的二次电池优选为16节蓄电池串联，其电压范围为160～224伏。

如图1所示，所述正相升压模块包括第一晶闸管(可控硅)Q1、第一电感L1、第一开关管Z1、第一二极管D1和第三晶闸管Q3；所述第一储能器为第一电容，所述不间断电源还包括控制模块。所述第一开关管Z1优选采用绝缘栅双极型功率管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)。所述第一二极管D1优选采用快速二极管。所述市电火线(Line)经第一晶闸管Q1与第一电感L1的一端连接，所述第一电感L1的另一端与第一IGBT开关管Z1集电极和第一快速二极管D1的阳极分别连接，所述第一快速二极管D1与第一电容C1的正极连接，第一电容C1的负极、第一IGBT开关管Z1的发射极、二次电池负极分别与市电零线(Neutral)相连；所述第三晶闸管Q3一端与二次电池正极相连，另一端连至第一晶闸管Q1和第一电感L1之间。所述第一IGBT开关管Z1基极与控制模块相耦合，控制模块将相应控制信号(PFCPWM1)发送至第一IGBT开关管Z1基极。所述控制模块可由数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)实现，也可由德州仪器的型号为UC3854B的主控芯片及其外围电路实现。本发明下面会做详细说明。

如图1所示，正相升压模块的工作原理如下：当UPS处于市电模式时，正相市电输入时，第一晶闸管Q1导通。控制模块先使第一IGBT开关管Z1导通，市电电压通过由第一晶闸管Q1、第一电感L1、第一IGBT开关管Z1构成的回路将能量储存到第一电感L1中。控制模块再使第一IGBT开关管Z1关断，市电电压叠加电感电压的能量通过由第一晶闸管Q1、第一电感L1、第一快速二极管D1、第一电容C1构成的回路传递到第一电容C1中。使第一电容C1的电压达到正母线直流电压。

当UPS处于电池模式时，第三晶闸管Q3导通。控制模块先使第一IGBT开关管Z1导通，电池电压通过由第三晶闸管Q3、第一电感L1、第一IGBT开关管Z1构成的回路将能量储存到第一电感L1中。控制模块再使第一IGBT开关管Z1关断，电池电压叠加电感电压的能量通过由第三晶闸管Q3、第一电感L1、第一快速二极管D1、第一电容C1构成的回路传递到第一电容C1中，使第一电容C1的电压维持正母线直流电压。我们可以看到，市电模式和电池模式的升压共用了正相升压模块。

如图1所示，所述市电副相升压模块包括第二晶闸管Q2、第二电感L2、第二开关管Z2、第二二极管D2，所述第二储能器为第二电容C2。所述第二开关管Z2优选采用IGBT。所述第二二极管D2优选采用快速二极管。所述市电零线与第二IGBT开关管Z2的集电极和第二电容C2的正极分别连接，所述第二电容C2的负极与第二快速二极管D2阳极连接，所述第二电感L2的一端分别与第二快速二极管D2的阴极、第二IGBT开关管Z2的发射极连接，所述第二电感L2的另外一端经第二晶闸管Q2连接至市电的火线。所述第二IGBT开关管Z2基极与控制模块相耦合，控制模块将相应控制信号(PFCPWM1)发送至第二IGBT开关管Z2基极。

如图1所示，所述市电副相升压模块的工作原理如下：负相市电输入时第二晶闸管Q2导通。控制模块先使第二IGBT开关管Z2导通，市电电压通过由第二IGBT开关管Z2、第二电感L2、第二晶闸管Q2构成的回路将能量储存到第二电感L2中。控制模块再使第二IGBT开关管Z2关断，市电电压叠加电感电压的能量通过由第二电容C2、第二快速二极管D2、第二感L2、第二晶闸管Q2构成的回路传递到第二电容C2中。使第二电容C2上的电压达到负母线直流电压。

如图1所示，所述逆变模块包括第五IGBT开关管Z5、第六IGBT开关管Z6、第四电感L4、第三电容C3。第五IGBT开关管Z5、第六IGBT开关管Z6的控制信号INVPWM1、INVPWM2由控制模块给出，所述控制信号为正弦脉冲调制信号(SPWM)。所述逆变模块将第一、二电容上的正、负母线直流电压转换成交流电压输出，其动作原理属于现有技术，此处不再赘述。

如图1所示，所述降压-升压双向变换器包括第三开关管Z3、第四开关管Z4和第三电感L3；所述二次电池正极与第三开关管Z3集电极连接，第三开关管Z3的发射极与第三电感L3一端、第四开关管Z4的集电极连接，所述第三电感L3另外一端与二次电池的负极连接，所述第四开关管Z4的发射极与第二电容C2的负极连接；所述第三开关管Z3基极与控制模块相耦合，控制模块将相应控制信号(BoostPWM)发送至第三开关管Z3；所述第四开关管Z4与控制模块相耦合，控制模块将相应控制信号(ChargePWM)发送至第四开关管Z4的基极。所述第三开关管Z3寄生有第四寄生二极管D4，所述第四开关管Z4寄生有第五寄生二极管D5。第三开关管Z3和第四开关管Z4优选采用IGBT。

如图1所示，所述降压-升压双向变换器在电池模式下可以维持第二电容上的负相母线直流电压；在市电模式下，可以实现对二次电池的充电。其工作原理如下：在电池模式下，控制模块先使第三IGBT开关管Z3导通，二次电池通过第三IGBT开关管Z3、第三电感L3构成回路，将电池能量储存到第三电感L3中；控制模块再使第三IGBT开关管Z3关断，储存在该第三电感L3中能量通过第三电感L3、第二电容C2、第四IGBT开关管Z4体内的第五寄生二极管D5构成续流回路，将能量转移到第二电容C2中。使第二电容C2的电压维持负母线直流电压。

在市电模式下，控制模块先给第四IGBT开关管Z4基极送出高电平的ChargePWM信号，使第四IGBT开关管Z4导通，第二电容C2通过第四IGBT开关管Z4、第三电感L3构成回路，将能量储存到第三电感L3中；控制模块再给第四IGBT开关管Z4基极送出低电平的ChargePWM信号，使第四IGBT开关管Z4关断，储存在该第三电感L3中能量通过第三电感L3、第三IGBT开关管Z3体内的第四寄生二极管D4构成续流回路，将能量转移到二次电池上。实现在市电模式下对二次电池的充电。

所述不间断电源还包括第三二极管D3，所述第三二极管D3阳极与第三开关管Z3的集电极连接，其阴极与所述第一电容C1的正极连接。第三快速二极管D3的作用在于当第三IGBT开关管Z3关断时，钳位其集电极和射极电压为正负母线之和，使其关断电压不至于过高。这样就可以选择耐压较小的开关管，从而降低成本。

如图1、2所示，为了增加电池充电电流，更好平衡正、负母线的电压，本发明还可以增设降压电路，所述降压(Buck)电路连接在所述第一电容和二次电池之间，用于在市电模式下，将第一电容C1的能量提供给电池组，从而实现由第一电容对二次电池充电。

所述降压电路包括第七开关管Z7、第六二极管D6、第五电感L5和第四电容C4，所述第二电容正极与第七开关管Z7集电极相连，所述第七开关管Z7射极与第六二极管D6阴极和第五电感L5一端分别连接，所述第五电感L5另一端与第四电容C4和二次电池正极分别相连，所述第六二极管D6阳极、第四电容C4和二次电池负极共同连至第一电容C1的负极，所述第七开关管Z7基极与控制模块相耦合，所述控制模块将相应控制信号(ChargePWM2)发送至第七开关管Z7基极。

所述降压电路的工作原理如下：当控制模块送出高电平的ChargePWM2信号时，第七IGBT开关管Z7导通，第一电容C1中的能量通过第七IGBT开关管Z7、第五电感L5、第四电容C4构成的回路，将能量传递到第四电容C4上，即将能量传递到二次电池上，并同时储存能量于第五电感L5中；当控制模块送出低电平的ChargePWM2信号时，第七IGBT开关管Z7关断，第五电感L5中储存的能量通过第四电容C4，第六快速二极管D6构成的续流回路，将能量继续传递到第四电容C4上，即将能量传递到二次电池上。从而实现了正母线直流电压对二次电池的充电。

下面对控制模块做进一步说明。所述控制模块包括两组主控芯片UC3854B及其外围电路和两组多路选择开关芯片CD4053(国家半导体公司生产的)及其外围电路。主控芯片UC3854B及其外围检测电路为成熟的现有技术，本发明不再赘述。UPS由市电模式转换成电池模式，UC3854B的输入量和输出量需要进行切换，本发明将主要对由两个开关芯片CD4053组成切换电路进行说明。如图3a所示，第一开关芯片CD4053的外围电路包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十三极管Q10。如图3b所示，第二开关芯片CD4053的外围电路包括第十一电阻R11、第十二电阻R11、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17和第十二三级管Q12。

切换电路的工作原理如下：在市电模式下，两组UC3854B分别负责控制正相和负相的升压。一组UC3854B需要检测的是市电的侦测量：市电的前馈电流信号(VIN_Iac)、市电的前馈电压信号(VinRMS_Iac)和电感L1的电流；另一组UC3854B需要检测的是市电的侦测量：市电的前馈电流信号(VIN_Iac)、市电的前馈电压信号(VinRMS_Iac)和电感L2的电流。UC3854B采集市电的输入电压信号作为基准，使输入电流跟随输入电压的变化，达到功率因数校正之目的。电池模式下，因无法检测到市电侦测量，要实现电池模式下的升压，需给一固定电压侦测量Vref。对正相的电感电流检测而言，因为市电模式和电池模式共用第一电感L1，故电感电流取样点不变。且市电模式和电池模式下负责正相控制的UC3854B输出的PFCPWM1信号也是固定的送到第一IGBT开关管Z1的基极。对负相的电感电流检测而言，市电模式下电感电流取样点来自第二电感L2的电流，电池模式下电感电流取样点来自第三电感L3的电流。且负责负相控制的UC3854B输出的PWM信号要从送到第二IGBT开关管Z2基极的PFCPWM2信号(市电模式下)切换为送到第三IGBT开关管Z3基极的BOOSTPWM信号(在电池模式下)。切换电路的目的是，当UPS在两种模式间切换时，实现市电电压电流侦测量与固定电压Vref、负相电感电流与Buckboost电感电流、市电负相控制信号PFCPWM2与电池负母线升压控制信号BOOSTPWM这几组信号之间的切换。

当UPS工作在市电模式时，输入至第十三极管Q10和第十二三极管Q12的模式标志信号BAT_SS为低电平，BAT_SS的低电位使得第十三极管Q10、第十二三极管Q12处于关断状态，使得A、B、C输入端口电位为高电平，第一开关芯片CD4053、第二开关芯片CD4053的输出信号X、Y、Z均切换到X1、Y1、Z1。从而通过第一开关芯片CD4053的14、15、4脚送给两组UC3854B的信号Iac_COM为VIN_Iac(市电的前馈电流信号)、VinRMS为VinRMS_Iac(市电的前馈电压信号)，送给负相UC3854B的电流信号Iin-为Iin-_ac(负相PFC电感L2的电流信号)，负相UC3854B的输出PWM信号切换到PFCPWM2送到第二IGBT开关管Z2，而送到第三IGBT开关管Z3的PWM信号BOOSTPWM为零电平。

当UPS工作在电池模式时，输入至第十三极管Q10和第十二三极管Q12的BAT_SS信号为高电平，BAT_SS的高电位使得第十三极管Q10、第十二三极管Q12处于导通状态，使得A、B、C电位为零，第一模拟芯片U1、第二模拟芯片U2的输出信号X、Y、Z均切换到X0、Y0、Z0，从而送给两组UC3854B的信号Iac_COM和VinRMS为固定值Vref、送给负相UC3854B的电流信号Iin-为IBAT-(第三电感L3的电流信号)，负相UC3854B的输出PWM信号切换到BOOSTPWM送到第三IGBT开关管Z3，而送到第二IGBT开关管Z2的PWM信号PFCPWM2为零电平。从而使得送给主控芯片UC3854B的输入量以及其输出量在市电模式和电池模式下进行了切换。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种不间断电源，包括正相升压模块、市电副相升压模块、二次电池、第一储能器、第二储能器、逆变模块；所述正相升压模块输入与二次电池和市电耦合，其输出与第一储能器输入耦合，所述正相升压模块用于将市电或二次电池输出的正相电压变换成第一储能器上的正母线直流电压；所述市电副相升压模块输出与第二储能器输入耦合，所述市电副相升压模块用于将市电输出的负相电压变换成第二储能器上的负母线直流电压；所述第一储能器和第二储能器输出与逆变模块输入耦合，所述逆变模块用于将正、负母线直流电压变换成正弦的交流输出电压；其特征在于：还包括降压-升压双向变换器，所述降压-升压双向变换器连接在所述二次电池和第二储能器之间，用于在市电模式下将负母线直流电压降压给二次电池充电，在电池模式下将二次电池电压升压给第二储能器充电。

2.根据权利要求1所述的不间断电源，其特征在于：所述正相升压模块包括第一晶闸管(Q1)、第一电感(L1)、第一开关管(Z1)、第一二极管(D1)和第三晶闸管(Q3)；所述第一储能器为第一电容(C1)，所述不间断电源还包括控制模块；所述市电火线经第一晶闸管(Q1)与第一电感(L1)的一端连接，所述第一电感(L1)的另一端与第一开关管(Z1)集电极和第一二极管(D1)的阳极分别连接，所述第一二极管(D1)与第一电容(C1)的正极连接，第一电容(C1)的负极、第一开关管(Z1)的发射极、二次电池负极分别与市电零线相连；所述第三晶闸管(Q3)一端与二次电池正极相连，另一端连至第一晶闸管(Q1)和第一电感(L1)之间，所述第一开关管(Z1)基极与控制模块相耦合。

3.根据权利要求2所述的不间断电源，其特征在于：所述市电副相升压模块包括第二晶闸管(Q2)、第二电感(L2)、第二开关管(Z2)、第二二极管(D2)，所述第二储能器为第二电容(C2)，所述市电零线与第二开关管(Z2)的集电极和第二电容(C2)的正极分别连接，所述第二电容(C2)的负极与第二二极管(D2)阳极连接，所述第二电感(L2)的一端与第二二极管(D2)的阴极、第二开关管(Z2)的发射极分别连接，所述第二电感(L2)的另外一端经第二晶闸管(Q2)连接至市电火线；所述第二开关管(Z2)基极与控制模块相耦合。

4.根据权利要求3所述的不间断电源，其特征在于：所述降压-升压双向变换器包括第三开关管(Z3)、第四开关管(Z4)和第三电感(L3)；所述二次电池正极与第三开关管(Z3)集电极连接，第三开关管(Z3)的发射极与第三电感(L3)一端、第四开关管(Z4)的集电极分别连接，所述第三电感(L3)另外一端与二次电池的负极连接，所述第四开关管(Z4)的发射极与第二电容(C2)的负极连接；所述第三开关管(Z3)和第四开关管(Z4)基极与控制模块相耦合。

5.根据权利要求4所述的不间断电源，其特征在于：还包括第三二极管(D3)，所述第三二极管(D3)阳极与第三开关管(Z3)的集电极连接，其阴极与所述第一电容(C1)的正极连接。

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