CN101677191B - Ups电池充电器及ups - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UPS电池充电器，包括整流电路和PFC斩波电路，整流电路的输入端耦合到交流输入火线(L)，整流电路的输出端耦合到所述PFC斩波电路的输入端，所述PFC斩波电路的输出端通过母线耦合到交流输入零线(N)，还包括BUCK变换器，所述BUCK变换器的输入端与母线耦合，所述BUCK变换器的输出端耦合到充电电池。本发明还公开了一种具有该UPS电池充电器的UPS。根据本发明，使用单个Buck变换器就能实现较大的充电功率，其控制方式简单，能有效降低产品成本，且UPS电池充电器的输入电压较稳定。

Description

UPS电池充电器及UPS

技术领域

本发明涉及电源技术，具体涉及一种UPS(Uninterrupted PowerSupply，即不间断电源)电池充电器和具有该UPS电池充电器的UPS。

背景技术

随着人们对于数据保护需求的日益增加，UPS系统获得了越来越广泛的使用。在UPS系统中，其中一个重要的部分就是电池充电器。而充电器尤其是处于中小功率段(10KVA左右)UPS的充电器拓扑选择对于整机成本有着重要影响。

目前对于中小功率UPS充电器的拓扑方案主要有反激或者正激变换器等，通过输入交流取电，经过整流后变换隔离，输出给电池组供电。通常这些变换装置的设计功率比较小(一般在500W下)，如果遇到电池容量比较大需要更大的充电器功率(比如1KW以上)时，最常用的办法就是采用两个或者两个以上的这种装置进行并联使用，以提高充电能力，但这种方法带来的最直接影响就是整机成本急剧上升。究其根本原因，还是这种充电器拓扑在大功率输出时，没有成本优势。

此外，由于直接从交流取电，采用不控整流输入，还会对于整机的输入电流指标有较大影响。虽然可以通过减小充电器的输入平波电容来弥补整机输入电流指标，但带来的一个新问题就是充电器输出给电池的纹波电流加大，进而影响电池寿命。

发明内容

本发明的主要目的就是解决现有技术中的问题，提供一种UPS电池充电器，其控制简单，输入输出指标好，成本低。

本发明的另一目的就是解决现有技术中的问题，提供一种具有前述优点的UPS。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种UPS电池充电器，包括整流电路和PFC斩波电路，所述整流电路的输入端耦合到交流输入火线，所述整流电路的输出端耦合到所述PFC(Power Factor Correction，即功率因素校正)斩波电路的输入端，所述PFC斩波电路的输出端通过母线耦合到交流输入零线，其特征在于，还包括BUCK变换器，所述BUCK变换器的输入端与母线耦合，所述BUCK变换器的输出端耦合到充电电池。

优选地：

所述整流电路包括第一电感、第一二极管和第二二极管，所述PFC斩波电路包括第三二极管、第四二极管、第一电解电容、第二电解电容以及第一开关管和第二开关管，所述第一电感的一端耦合到交流输入火线，其另一端与所述第一二极管的阳极及所述第二二极管的阴极相接，所述第一二极管的阴极接所述第一开关管的漏极和所述第三二极管的阳极，所述第三二极管的阴极接所述第一电解电容的正极，所述第二二极管的阳极接所述第二开关管的源极和所述第四二极管的阴极，所述第四二极管的阳极接所述第二电解电容的负极，所述第一开关管的源极、所述第二开关管的漏极、所述第一电解电容的负极以及第二电解电容的正极同接至所述交流输入零线，所述BUCK变换器的输入端接所述第一电解电容的正极或所述第二电解电容的负极。

所述BUCK变换器包括第二电感、第三开关管、第五二极管、第六二极管以及第三电容，所述BUCK变换器的输入端为所述第五二极管的阳极，所述第五二极管的阳极接所述第一电解电容的正极，所述第五二极管的阴极接所述第三开关管的漏极，所述第三开关管的源极接所述第二电感的一端及所述第六二极管的阴极，所述第二电感的另一端接充电电池正极，所述第六二极管的阳极与所述第四二极管阴极同接充电电池负极，所述第三电容跨接在所述第二电感的另一端与所述第六二极管的阳极之间。

所述BUCK变换器包括第二电感、第三开关管、第五二极管、第六二极管以及第三电容，所述BUCK变换器的输入端为所述第五二极管的阴极，所述第五二极管的阴极接所述第二电解电容的负极，所述第五二极管的阳极接所述第三开关管的源极，所述第三开关管的漏极接所述第二电感的一端及所述第六二极管的阳极，所述第二电感的另一端接充电电池负极，所述第六二极管的阴极与所述第三二极管的阳极同接充电电池正极，所述第三电容跨接在所述第二电感的另一端与所述第六二极管的阴极之间。

一种带市电输入和充电电池输入的UPS，包括UPS电池充电器，其包括整流电路和PFC斩波电路，所述整流电路的输入端耦合到交流输入火线，所述整流电路的输出端耦合到所述PFC斩波电路的输入端，所述PFC斩波_电路的输出端通过母线耦合到交流输入零线，其特征在于，还包括BUCK变换器，所述BUCK变换器的输入端与母线耦合，所述BUCK变换器的输出端耦合到充电电池。

优选地：

所述整流电路包括第一电感、第一二极管和第二二极管，所述PFC斩波电路包括第三二极管、第四二极管、第一电解电容、第二电解电容以及第一开关管和第二开关管，所述第一电感的一端耦合到交流输入火线，其另一端与所述第一二极管的阳极及所述第二二极管的阴极相接，所述第一二极管的阴极接所述第一开关管的漏极和所述第三二极管的阳极，所述第三二极管的阴极接所述第一电解电容的正极，所述第二二极管的阳极接所述第二开关管的源极和所述第四二极管的阴极，所述第四二极管的阳极接所述第二电解电容的负极，所述第一开关管的源极、所述第二开关管的漏极、所述第一电解电容的负极以及第二电解电容的正极同接至所述交流输入零线，所述BUCK变换器的输入端接所述第一电解电容的正极或所述第二电解电容的负极。

所述BUCK变换器包括第二电感、第三开关管、第五二极管、第六二极管以及第三电容，所述BUCK变换器的输入端为所述第五二极管的阳极，所述第五二极管的阳极接所述第一电解电容的正极，所述第五二极管的阴极接所述第三开关管的漏极，所述第三开关管的源极接所述第二电感的一端及所述第六二极管的阴极，所述第二电感的另一端接充电电池正极，所述第六二极管的阳极与所述第四二极管阴极同接充电电池负极，所述第三电容跨接在所述第二电感的另一端与所述第六二极管的阳极之间。

所述BUCK变换器包括第二电感、第三开关管、第五二极管、第六二极管以及第三电容，所述BUCK变换器的输入端为所述第五二极管的阴极，所述第五二极管的阴极接所述第二电解电容的负极，所述第五二极管的阳极接所述第三开关管的源极，所述第三开关管的漏极接所述第二电感的一端及所述第六二极管的阳极，所述第二电感的另一端接充电电池负极，所述第六二极管的阴极与所述第三二极管的阳极同接充电电池正极，所述第三电容跨接在所述第二电感的另一端与所述第六二极管的阴极之间。

本发明有益的技术效果是：

本发明UPS电池充电器包括整流电路和PFC斩波电路，整流电路的输出端耦合到PFC斩波电路的输入端，PFC斩波电路的输出端通过母线耦合到交流输入零线，还设置BUCK变换器，该BUCK变换器的输入端与母线耦合，其输出端耦合到充电电池，该Buck变换器在交流输入正负半周充电从母线获取电，经变换作用后输出，对充电电池进行充电。不同于现有技术采用反激或者正激变换器等通过输入交流取电，经过整流后变换隔离再输出给电池组的供电方案，由于本发明采用非隔离式的Buck变换器对充电电池进行充电，因此使用单个Buck变换器就能实现较大的充电功率，其控制方式简单，能有效降低产品成本。而且，本发明UPS电池充电器的输入电压较稳定，通过相对提高BUCK变换器中开关管的工作频率，可以有效改善输出电流质量，并且减小电感值，从而达到节约成本的目的。

附图说明

图1为本发明实施例一的UPS电池充电器的电路原理图；

图2为本发明实施例二的UPS电池充电器的电路原理图；

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

具体实施方式

实施例一

请参考图1，UPS电池充电器包括整流电路、PFC斩波电路和BUCK(降压)变换器，整流电路的输入端耦合到交流输入火线L，整流电路的输出端耦合到PFC斩波电路的输入端，斩波电路的输出端通过正、负母线耦合到交流输入零线N，BUCK变换器的输入端与正母线耦合，BUCK变换器的输出端耦合到充电电池BATTERY的正、负极。

整流电路包括第一电感L1、第一二极管D1和第二二极管D2，PFC斩波电路包括第三二极管D3、第四二极管D4、第一电解电容C1、第二电解电容C2以及具有反并联二极管的第一开关管Q1和第二开关管Q2，第一电感L1的一端通过市电输入开关AC_RLY耦合到交流输入火线L，第一电感L1的另一端与第一二极管D1的阳极及第二二极管D2的阴极相接，第一二极管D1的阴极接第一开关管Q1的漏极和第三二极管D3的阳极，第三二极管D3的阴极接第一电解电容C1的正极，第二二极管D2的阳极接第二开关管Q2的源极和第四二极管D4的阴极，第四二极管D4的阳极接第二电解电容C2的负极，第一开关管Q1的源极、第二开关管Q2的漏极、第一电解电容C1的负极以及第二电解电容C2的正极同接至交流输入零线N。

BUCK变换器包括第二电感L2、第三开关管Q3、第五二极管D5、第六二极管D6以及第三电容C3，第五二极管D5的阳极为BUCK变换器的输入端，其接第一电解电容C1的正极及第三二极管D3的阴极，即BUCK变换器输入正母线电压，第五二极管D5的阴极接第三开关管Q3的漏极，第三开关管Q3的源极接第二电感L2的一端及第六二极管D6的阴极，第二电感L2的另一端接充电电池正极，第六二极管D6的阳极与第四二极管D4的阴极、第二二极管D2的阳极同接充电电池负极，第三电容C3跨接在第二电感L2的另一端与第六二极管D6的阳极之间(也即充电电池正、负极之间)。此外，充电电池BATTERY正极还通过电池供电开关BAT_RLY耦合到第一电感L1接市电输入的一端。市电输入开关AC_RLY、电池供电开关BAT_RLY均可采用继电器。

由图1可见，BUCK变换器充电输入取自UPS系统的母线，BUCK变换器输出负极与充电电池BATTERY负极相连，不需要变压器隔离。

其工作原理可以按照交流正负半周两部分来描述：

1)在输入交流正半周波内，此时第一开关管Q1进行PFC斩波工作，对于充电器而言，又分为两种情况：

A1、第三开关管Q3开通时，正母线电压经过第五二极管D5、第三开关管Q3、第二电感L2、充电电池BATTERY以及第二开关管Q2的体二极管回到交流输入零线N，给充电电池BATTERY充电。

A2、第三开关管Q3关断时，第二电感L2的电流通过第六二极管D6续流，与充电电池BATTERY支路形成回路，继续给充电电池BATTERY充电。

以上两个过程为一个标准的BUCK电路工作过程，BUCK电路输入的是UPS的正母线电压。

2)在输入交流负半周波内，此时第二开关管Q2管进行PFC斩波工作，对于充电器而言，鉴于第三开关管Q3和第二开关管Q2的开关频率可能不同，因此分为以下几种情况：

B1、第三开关管Q3开通且第二开关管Q2开通时，充电工作情况与交流正半周部分中前述A1相同；

B2、第三开关管Q3开通而第二开关管Q2关断时，此时充电电池BATTERY负极通过第四二极管被嵌位至负母线电压，因此此时充电输入电压为两倍母线电压。电流流向为从正母线经过第五二极管D5、第三开关管Q3、第二电感L2、充电电池BATTERY、第二二极管D2、整流器电感L1，再从市电回到交流输入零线N；

B3、第三开关管Q3关断时，由第二电感L2，第六二极管D6和充电电池BATTERY组成的充电回路，此时BUCK电路处于续流状态，充电工作情况同前述A2。

通过以上关于UPS电池充电器工作过程的分析，可以看到本发明具有显著的优点：

1)电池充电器为非隔离的BUCK变换器，控制简单；

2)充电器的输入电压较稳定，相对提高第三开关管Q3工作频率，可以有效改善输出电流质量，并且减小第二电感L2的电感值，以达到成本节约的目的。

此外，虽然由于充电器输入取自母线电压，两个母线获取能量不对称，相当于UPS带半波负载，会对输入电流指标有影响，但是可以通过提高PFC控制性能，进而改善输入电流指标，而且，相对于反激变换器的充电器而言，本发明输入指标影响要小。

实施例二

在实施例一中，BUCK变换器的输入端与正母线相耦合，充电电池Battery的负极连接在第二二极管D2的阳极，充电器输入取电端在第一二极管D1的阴极，根据电路对称性可得到该实施例一的变型，请参考图2，本实施例采用负Buck变换器，与实施例一不同在于：第五二极管D5的阴极为BUCK变换器的输入端，其接第二电解电容C2的负极及第四二极管D4的阳极，使得BUCK变换器从负母线取电；第五二极管D5的阳极接第三开关管Q3的源极，第三开关管Q3的漏极接第二电感L2的一端及第六二极管D6的阳极，第二电感L2的另一端接充电电池负极，第六二极管D6的阴极、第三二极管D3的阳极及第一二极管D1的阴极同接充电电池正极；充电电池BATTERY负极通过电池供电开关BAT_RLY耦合到第一电感L1接市电输入的一端。本实施例UPS电池充电器的工作原理与实施例一相类似，可以获得相同的效果，不再赘述。

另外，以上实施例中的第一开关管Q1和第二开关管Q2既可以是具有反并联二极管的开关管，也可以是自身不带反并联二极管的开关管，对于后一种情形，还在第一开关管Q1和第二开关管Q2的外部分别反并联连接一个二极管，同样能达到本发明的目的。本发明中，充电电池也应可理解为包含多个电池的电池模组。

在另一方面，本发明还提供了一种具有该UPS电池充电器的UPS，该UPS带市电输入和充电电池输入，该UPS电池充电器可利用市电输入从母线取电，对电池进行充电。与传统的UPS相比，本发明UPS不同在于具有该改进的UPS电池充电器。在优选的方案中，本发明UPS具体的电路设置可详见于以上实施例的UPS电池充电器。

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 (8)

1.一种UPS电池充电器,包括整流电路和PFC斩波电路，所述整流电路的输入端耦合到交流输入火线（L），所述整流电路的输出端耦合到所述PFC斩波电路的输入端，所述PFC斩波电路的输出端通过正、负母线耦合到交流输入零线（N），其特征在于,还包括BUCK变换器，所述BUCK变换器的输入端与正母线或负母线耦合，所述BUCK变换器的输出端耦合到充电电池,所述BUCK变换器在交流输入正负半周充电从所耦合的母线获取电，经变换作用后输出，对充电电池进行充电。

2.如权利要求1所述的UPS电池充电器，其特征在于,所述整流电路包括第一电感（L1）、第一二极管（D1）和第二二极管（D2），所述PFC斩波电路包括第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第一电解电容（C1）、第二电解电容（C2）以及第一开关管（Q1）和第二开关管（Q2），所述第一电感（L1）的一端耦合到交流输入火线（L），其另一端与所述第一二极管（D1）的阳极及所述第二二极管（D2）的阴极相接，所述第一二极管（D1）的阴极接所述第一开关管（Q1）的漏极和所述第三二极管（D3）的阳极，所述第三二极管（D3）的阴极接所述第一电解电容（C1）的正极，所述第二二极管（D2）的阳极接所述第二开关管（Q2）的源极和所述第四二极管（D4）的阴极，所述第四二极管（D4）的阳极接所述第二电解电容（C2）的负极，所述第一开关管（Q1）的源极、所述第二开关管（Q2）的漏极、所述第一电解电容（C1）的负极以及第二电解电容（C2）的正极同接至所述交流输入零线（N），所述BUCK变换器的输入端接所述第一电解电容（C1）的正极或所述第二电解电容（C2）的负极。

3.如权利要求2所述的UPS电池充电器，其特征在于,所述BUCK变换器包括第二电感（L2）、第三开关管（Q3）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）以及第三电容（C3），所述BUCK变换器的输入端为所述第五二极管（D5）的阳极，所述第五二极管（D5）的阳极接所述第一电解电容（C1）的正极，所述第五二极管（D5）的阴极接所述第三开关管（Q3）的漏极，所述第三开关管（Q3）的源极接所述第二电感（L2）的一端及所述第六二极管（D6）的阴极，所述第二电感（L2）的另一端接充电电池正极，所述第六二极管（D6）的阳极与所述第四二极管（D4）阴极同接充电电池负极，所述第三电容（C3）跨接在所述第二电感（L2）的另一端与所述第六二极管（D6）的阳极之间。

4.如权利要求2所述的UPS电池充电器，其特征在于,所述BUCK变换器包括第二电感（L2）、第三开关管（Q3）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）以及第三电容（C3），所述BUCK变换器的输入端为所述第五二极管（D5）的阴极，所述第五二极管（D5）的阴极接所述第二电解电容（C2）的负极，所述第五二极管（D5）的阳极接所述第三开关管（Q3）的源极，所述第三开关管（Q3）的漏极接所述第二电感（L2）的一端及所述第六二极管（D6）的阳极，所述第二电感（L2）的另一端接充电电池负极，所述第六二极管（D6）的阴极与所述第三二极管（D3）阳极同接充电电池正极，所述第三电容（C3）跨接在所述第二电感（L2）的另一端与所述第六二极管（D6）的阴极之间。

5.一种带市电输入和充电电池输入的UPS，包括UPS电池充电器，其包括整流电路和PFC斩波电路，所述整流电路的输入端耦合到交流输入火线（L），所述整流电路的输出端耦合到所述PFC斩波电路的输入端，所述PFC斩波电路的输出端通过正、负母线耦合到交流输入零线（N），其特征在于,还包括BUCK变换器，所述BUCK变换器的输入端与正母线或负母线耦合，所述BUCK变换器的输出端耦合到充电电池,所述BUCK变换器在交流输入正负半周充电从所耦合的母线获取电，经变换作用后输出，对充电电池进行充电。

6.如权利要求5所述的UPS，其特征在于,所述整流电路包括第一电感（L1）、第一二极管（D1）和第二二极管（D2），所述PFC斩波电路包括第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第一电解电容（C1）、第二电解电容（C2）以及第一开关管（Q1）和第二开关管（Q2），所述第一电感（L1）的一端耦合到交流输入火线（L），其另一端与所述第一二极管（D1）的阳极及所述第二二极管（D2）的阴极相接，所述第一二极管（D1）的阴极接所述第一开关管（Q1）的漏极和所述第三二极管（D3）的阳极，所述第三二极管（D3）的阴极接所述第一电解电容（C1）的正极，所述第二二极管（D2）的阳极接所述第二开关管（Q2）的源极和所述第四二极管（D4）的阴极，所述第四二极管（D4）的阳极接所述第二电解电容（C2）的负极，所述第一开关管（Q1）的源极、所述第二开关管（Q2）的漏极、所述第一电解电容（C1）的负极以及第二电解电容（C2）的正极同接至所述交流输入零线（N），所述BUCK变换器的输入端接所述第一电解电容（C1）的正极或所述第二电解电容（C2）的负极。

7.如权利要求6所述的UPS，其特征在于,所述BUCK变换器包括第二电感（L2）、第三开关管（Q3）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）以及第三电容（C3），所述BUCK变换器的输入端为所述第五二极管（D5）的阳极，所述第五二极管（D5）的阳极接所述第一电解电容（C1）的正极，所述第五二极管（D5）的阴极接所述第三开关管（Q3）的漏极，所述第三开关管（Q3）的源极接所述第二电感（L2）的一端及所述第六二极管（D6）的阴极，所述第二电感（L2）的另一端接充电电池正极，所述第六二极管（D6）的阳极与所述第四二极管（D4）阴极同接充电电池负极，所述第三电容（C3）跨接在所述第二电感（L2）的另一端与所述第六二极管（D6）的阳极之间。

8.如权利要求6所述的UPS，其特征在于,所述BUCK变换器包括第二电感（L2）、第三开关管（Q3）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）以及第三电容（C3），所述BUCK变换器的输入端为所述第五二极管（D5）的阴极，所述第五二极管（D5）的阴极接所述第二电解电容（C2）的负极，所述第五二极管（D5）的阳极接所述第三开关管（Q3）的源极，所述第三开关管（Q3）的漏极接所述第二电感（L2）的一端及所述第六二极管（D6）的阳极，所述第二电感（L2）的另一端接充电电池负极，所述第六二极管（D6）的阴极与所述第三二极管（D3）阳极同接充电电池正极，所述第三电容（C3）跨接在所述第二电感（L2）的另一端与所述第六二极管（D6）的阴极之间。

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