CN102804546A - Ac到dc转换 - Google Patents

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Abstract

不间断电源系统中的一种前端转换器，其包括：升压电路，其具有第一和第二输入端、以及正、负和中性输出节点，并且被配置为在正节点和中性节点之间提供正电容电压，以及在负节点和中性节点之间提供负电容电压；电感器，其被耦合到第一输入端；接收AC电力的第一AC和中性AC输入端；电池；第一器件，其选择性地将电感器耦合到第一AC输入端或者电池的正端口；以及第二器件，其选择性地将电池的负端口耦合到第二输入端；其中电感器在转换器的在线模式和转换器的电池模式之间是共享的，且在电池模式期间，电池通过电感器被耦合至第一输入端。

Description

AC到DC转换
背景
企业和个人比以前更加依赖于对于电子设备具有一致的电力供应。例如，如果企业从事通过因特网提供信息的业务，没有电力，企业不能够制造货物、或者不能够运转。没有电力，企业和个人可能完全没有能力进行重要活动，例如设计产品、制造货物、提供服务以及处理私人资产（例如，提交纳税申报以及付帐）。如果发生断电，不间断电源（UPS）常被用于提供后备电力。UPS常用于计算装置上，以防止在数据被保存前由于断电造成的数据丢失。用于计算装置的UPS还帮助防止因特网上信息提供者的服务的遗失，例如由服务器托管网页的遗失。
在线UPS系统通常包含图1中所示出的用于UPS系统500的升压阶段功率因数校正（PFC）前端转换器502和反相阶段后端转换器504。到前端转换器输入端的是60/50HZ AC电源506和电池DC电源508。UPS 500基于输入电压在两种操作模式下工作。当输入AC电压对于升压转换器502在AC电源电压上操作在可接受范围内时，UPS 500以在线模式工作。在该模式下，前端升压转换器502从AC电源506得到输入电力，并将电压转换到两个DC电压，并将这些电压提供到两个DC总线510、512，其分别为正DC总线电压（+DC）和负DC总线电压（-DC）。当输入AC电压不可用或者不在可接受范围内时，UPS在电池模式下工作。在该模式下，前端升压转换器502从电池508得到DC输入电力，并生成正和负DC总线电压，并将这些电压传送到对应的总线510、512。
UPS系统500中的中央控制系统（控制器、未示出）监测输入AC电压，并控制两个不同模式之间的变换。传统上，继电器被用于将前端升压转换器输入端从AC电源变换到DC电源，并且反过来也是一样的。最近的，硅酮受控整流器（SCR）被用于此目的。
在DC总线510、512之间提供两个大容量电容器514、516。电容器514、516是前端转换器502的部件，但是出于阐述的目的将其在转换器502的外部示出。在UPS 500不同模式之间的变换期间，电容器514、516将能量通过逆变器504提供到负载，从而帮助确保对负载没有明显的电压降的情况下实现转换。
逆变器504是DC-AC转换器，其从正和负DC总线电压得到输入，并在输出端生成AC电压。标准的在线UPS系统中的逆变器504包括两个由脉宽调制（PWM）控制器控制以提供期望的正弦波输出的降压转换器。
参考图2，再参考图1，正降压转换器522在输出电压的正半周期期间将DC电压从+DC总线510转换到AC电压，并且负降压转换器524在输出电压的负半周期期间将DC电压从-DC总线512转换到AC电压。降压转换器522、524两者的输出被组合在一起，从而获得完整周期的AC电压。换言之，在输出（负载）电压的正半周期期间从+DC总线510提供负载电力，而在输出电压的负半周期期间从-DC总线512提供负载电力。
在线UPS系统的功率因数校正
在在线UPS系统中有两个前端升压操作模式，在线模式和电池模式。
在线模式
参考图3，再参考图1-2，在在线模式下，前端转换器502使用正升压转换器526和负升压转换器528。前端转换器502从AC电源506得到输入，并输出两个DC电压。当前端转换器工作在AC输入电压下的时候，前端转换器502工作为PFC转换器。在输入电压的正半周期期间，正升压转换器526将正半周期的AC输入电压转换为DC电压。该正输出被提供给+DC总线电容器514。在输入电压的负半周期期间，负升压转换器528将负半周期的AC输入电压转换为DC电压。该负输出被提供给-DC总线电容器516。
即使前端转换器502使用两个转换器526、528来为两个DC总线510、512提供电力，一些组件（例如，电感器和电流互感器）可以被共享，所以这些组件可以是正和负升压转换器526、528两者共同的组件。
图4-6示出了用于从AC电源实现PFC的三个电路550、560和570。电路550、560、570包含正转换器552、562、572和负转换器554、564、574。黑体的电路被用在正和负半周期两者。这些方法在文献中被充分地论述。对于所有的三个拓扑，组件的数量不同。拓扑（电路）的选择取决于若干因素，例如功率水平、控制结构等等。三个电路550、560、570中，电路550在较低功率水平上提供若干优势，例如高效率、低成本、简单的控制执行过程和较少的零件计数。
电池模式
参考图7，再参考图1，在电池模式操作下，前端转换器502从电池508得到输入电力来作为电压电源，并将电力传递到正和负总线510、512两者。电池508能够以不同的配置被连接，例如正非浮动、负非浮动、或者浮动。当电池的负端子被连接到中性线时，电池508提供正非浮动电压，而当电池的正端子被连接到中性线时，电池508提供负非浮动电压。在浮动配置中，电池两个端子均不连接到中性线。非浮动电池（电池的一个端子被连接到中性线）简化了电池电压感测，并且还简化了充电控制。
在PFC中，电力转换实现技术在浮动和非浮动电池中是不同的。已知的实现方式是使用用于图7中所示出的非浮动电池系统的升压和升降压转换器，以及使用用于图9中所示出的浮动电池系统的双升压转换器。
升压和升降压转换器
如以上所讨论的，来自电池508的一个DC电压被用于获得具有不同极性的两个DC输出电压。升压转换器580被用于使电池电压升至与电池508极性相同的DC总线电压。升压转换器操作在上面的在线模式操作中论述过了。升降压转换器590可以被用于从电池508获得具有与电池508相反极性的DC电压。
参考图8，升降压转换器590包括降压部分592和升压部分594。降压部分592包括开关596和电感器598，而升压部分594包括电感器598和二极管600。当开关596是ON（闭合）时，流过电感器598的电流增大并储存能量。当开关596是OFF（打开）时，电感器598中储存的能量被转移至电容器516。因此，当开关598是ON的时候，电流路径通过电池508、开关596、和电感器598，而当开关596是OFF的时候，电流路径通过电感器598、电容器516、和二极管600。对于电压在120VDC和240VDC之间、而输出总线电压为+400伏特的电池，开关596应该被额定为1200V，因为开关596切换电池电压加上+DC总线电压。同样的，二极管600应该被额定为1200V。
总的前端转换器502使用两个转换器（升压580和升降压590）来将来自电池508的能量变换至正和负总线510、512。转换器580、590是独立的转换器，并且在电池操作期间不共享组件。因为两个转换器580、590是独立的且同时操作的，对于改进效率，在电池模式操作中，图4和5中所示出的单个电感器解决方案不可以被实施。
双升压转换器
另一个从单个电池输出正和负电压两者的途径是通过使用浮动电池和图9中所示出的双升压转换器配置610。在该配置中，不同于升降压的途径，电池的两个端子均不连接到中性线。在美国专利号5,654,591中论述了双升压转换器的操作。
三相应用
先前的三相前端拓扑通常使用完全去耦的PFC，而由于较少的CT和较好地利用硅和磁，一些三相前端拓扑在较低功率水平使用部分去耦的PFC。例如，在美国专利号7,005,759中论述了三相部分去耦的PFC，其中四个电感器被用于在在线系统中实现三相前端转换器。参考图10，该图是美国专利号7,005,759中的图3，三相前端转换器620包括开关SO，该开关在在线操作期间是打开的，从而PFC可以从输入AC通过电感器La、Lb和Lc以及二极管D1到D6运作。电感器La、Lb、Lc是三相PFC的升压电感器。PFC操作的描述可以在David M.XU C.Yang J.H.Kong Zhaoming.Qian的“Quasi-Soft-Switching Partly Decoupled Threephase PFC WithApproximate Unity Power Factor（具有近似统一功率系数的准软开关部分去耦的三相PFC）”（IEEE,1998）中找到。在电池模式操作期间，开关SO是闭合的，并且电池为DC总线提供电力。电感器L被用作电池模式操作中的升压电感器。CT未被示出，但是其应被布置在La和D1、Lb和D2、Lc和D3以及电池和L之间。
概述
不间断电源（UPS）系统中前端转换器的实施例包括：升压电路，其具有第一和第二输入端、正输出节点、负输出节点、和中性输出节点，升压电路被配置为对进入的交流（AC）电力进行整流，以提供耦合在正节点和中性节点之间的正电容器两端之间的正电压，并且提供耦合在负节点和中性节点之间的负电容器两端之间的负电压；电感器，其被耦合到升压电路的第一输入端；第一AC输入端和中性AC输入端，其一起被配置为接收交流电力；电池，其具有负端口和正端口；第一器件，其被耦合、布置且被配置为选择性地将电感器耦合到第一AC输入端或者电池的正端口中的一个；以及第二器件，其被耦合、布置且被配置为选择性地将电池的负端口耦合到升压电路的第二输入端；其中电感器在转换器的在线模式和转换器的电池模式之间是共享的，且在电池模式期间，电池通过电感器被耦合至升压电路的第一输入端。
这类前端转换器的实现方式可以包括一个或者多个以下特性。所述转换器还包括与第一器件和升压电路第一输入端之间的电感器串联耦合的单个电流互感器。升压电路包括第一和第二开关，并且转换器还包括耦合到单个电流互感器、正输出节点、负输出节点、以及第一和第二开关的单个控制器，单个控制器被配置为耦合到逆变器的输出端，所述逆变器的输出端被耦合到正和负节点，其中所述单个控制器被配置为：在逆变器输出端电压的正半周期期间，使第二开关闭合以及第一开关打开和闭合，以便将正输出节点处的电压保持在第一期望范围内；以及在逆变器输出电压的负半周期期间，使第一开关闭合以及第二开关打开和闭合，以便将负输出节点处的电压保持在第二期望范围内。所述转换器还包括耦合到第一和第二器件的单个控制器，并且该单个控制器被配置为：使第一器件在转换器的在线模式期间将电感器耦合到AC输入端，并在转换器的电池模式期间将电感器耦合到电池的正端口；以及使第二器件在转换器的在线模式期间将电池的负端口耦合到中性节点，并在转换器的电池模式期间将电池的负端口耦合到升压电路的第二输入端。
另外地或者可选择地，前端转换器的实现方式可以包括一个或者多个以下特性。所述升压电路包括：第一和第二输入二极管，其中，第一输入二极管的阳极和第二输入二极管的阴极连接到升压电路的第一输入端，而第二输入二极管的阳极连接到升压电路的第二输入端；第一和第二输出二极管；以及第一和第二开关；其中第一输出二极管的阳极被连接到第一输入二极管的阴极，第二输出二极管的阴极被连接到第二输入二极管的阳极，第一开关的一个端部被连接到第一输入二极管和第一输出二极管之间，并且另一个端部被连接到中性连接部，而第二开关的一个端部被连接到第二输出二极管和第二输入二极管之间，并且另一个端部被连接到中性连接部。转换器还包括：耦合到第一输入二极管的阳极和第一输入二极管的阴极的第三器件，并且第三器件被配置为选择性地旁路第一输入二极管；以及耦合到第三器件的控制器，并且该控制器被配置为在电池模式期间使第三器件闭合以旁路第一输入二极管，并在在线模式期间使第三器件打开。
另外地或者可选择地，前端转换器的实现方式可以包括一个或者多个以下特性。第二器件被配置为选择性地将电池的负端口耦合到升压电路的第二输入端或者负节点中的一个。电感器是第一电感器，而第一AC输入端被配置为耦合到三相AC源的第一相位端口，转换器还包括：被配置为耦合到三相AC源的第二相位端口的第二AC输入端；被配置为耦合到三相AC源的第三相位端口的第三AC输入端；耦合到第二器件和升压电路的第二输入端之间的第二电感器，第二器件被配置为选择性地将第二电感器耦合到电池负端口或者第二AC输入端中的一个；第四器件；以及耦合到第四器件和升压电路的第三输入端之间的第三电感器，所述第四器件被配置为选择性地将第三电感器耦合到第三AC输入端。升压电路包括：第一和第二输入二极管，其中第一输入二极管的阳极和第二输入二极管的阴极连接到升压电路的第一输入端，而第二输入二极管的阳极连接到中性AC输入端；第三和第四输入二极管，其中第三输入二极管的阳极和第四输入二极管的阴极连接到升压电路的第二输入端，而第四输入二极管的阳极连接到中性AC输入端；第五和第六输入二极管，第五输入二极管的阳极和第六输入二极管的阴极连接到升压电路的第三输入端，而第六输入二极管的阳极连接到中性AC输入端；转换器还包括：耦合到第四输入二极管的阳极和第四输入二极管的阴极的第五器件，并且该第五器件被配置为选择性地旁路第四输入二极管；以及耦合到第五器件的控制器，并且该控制器被配置为在电池模式期间使第五器件闭合以旁路第四输入二极管，并在在线模式期间使第五器件打开。转换器还包括：耦合到第一输入二极管的阳极和第一输入二极管的阴极的第三器件，并且第三器件被配置为选择性地旁路第一输入二极管，所述控制器被耦合到第三器件，并且被配置为在电池模式期间使第三器件闭合以旁路第一输入二极管，而在在线模式期间使第三器件打开。升压电路包括：第一和第二输入二极管，其中第一输入二极管的阳极和第二输入二极管的阴极连接到升压电路的第一输入端，而第二输入二极管的阳极连接到中性AC输入端；第三和第四输入二极管，其中第三输入二极管的阳极和第四输入二极管的阴极连接到升压电路的第二输入端，而第四输入二极管的阳极连接到中性AC输入端；以及第五和第六输入二极管，其中第五输入二极管的阳极和第六输入二极管的阴极连接到升压电路的第三输入端，而第六输入二极管的阳极连接到中性AC输入端；转换器还包括：耦合在第一、第三和第五输入二极管的阴极和升压电路的正输出二极管的阳极之间的第一电流互感器；以及耦合在第二、第四、和第六输入二极管的阳极和升压电路的负输出二极管的阴极之间的第二电流互感器。转换器还包括：正半周期电池开关，其被耦合、布置且被配置为选择性地将电池的正端口耦合到中性节点；负半周期电池开关，其被耦合、布置且被配置为选择性地将电池的负端口耦合到中性节点；以及耦合到正和负半周期电池开关的控制器，并且该控制器被配置为在逆变器输出电压的正半周期期间，使正半周期开关打开，将电池的正端口与中性节点隔离，并且使负半周期开关闭合，将电池的负端口耦合到中性节点，以及在逆变器输出电压的负半周期期间，使正半周期开关闭合，将电池的正端口耦合到中性节点，并且使负半周期开关打开，将电池的负端口与中性节点隔离。第一和第二器件是继电器。
不间断电源（UPS）的实施例包括：DC-DC前端转换器，其包括：被配置为耦合到AC电源供给的转换器输入端；正DC前端输出端；负DC前端输出端；以及中性前端输出端；UPS还包括耦合在正DC前端输出端和中性前端输出端之间的正电容器；耦合在负DC前端输出端和中性前端输出端之间的负电容器；以及耦合到正DC前端输出端、负DC前端输出端、和中性前端输出端，并且包括正DC逆变器输出端和中性DC逆变器输出端的DC-AC逆变器；DC-DC前端转换器还包括：升压电路、电池、以及单个电感器，该单个电感器被耦合在升压电路的输入端和被配置为选择性地将电感器耦合到电池的正端口或者转换器输入端中的第一个输入端的器件之间。
这类UPS的实现方式可以包括一个或者多个以下特性。DC-DC前端转换器被配置为在转换器的电池模式期间旁路转换器的二极管。DC-DC前端转换器还包括耦合在器件和升压电路的输入端之间的单个电流互感器。转换器输入端被配置为耦合到三相AC电源，单个电感器是单个第一电感器，所述器件是第一器件，而升压电路的输入端是升压电路的第一输入端，DC-DC前端转换器还包括：单个第二电感器，其被耦合在升压电路的第二输入端和被配置为选择性地将第二电感器耦合到电池的负端口或者转换器输入端中的第二个输入端的第二器件之间；以及单个第三电感器，其被耦合在升压电路的第三输入端和被配置为选择性地将第三电感器耦合到转换器输入端中的第三个输入端的第三器件之间。转换器还包括第四和第五器件，其被配置为在转换器的电池模式期间旁路第一和第二输入二极管。转换器还包括：第六器件，其被配置为选择性地将电池的正端口耦合到转换器的中性节点；以及第七器件，其被配置为选择性地将电池的负端口耦合到转换器的中性节点。转换器还包括耦合到第四、第五、第六和第七器件的控制器，并且该控制器被配置为使得：在转换器的电池模式期间，第四和第五器件闭合，旁路第一和第二输入器件；在逆变器的输出电压的正半周期期间，第六器件打开，将电池的正端口与中性节点隔离，并且第七器件闭合，将电池的负端口连接到中性节点；以及在逆变器的输出电压的负半周期期间，第六器件闭合，将电池的正端口连接到中性节点，并且第七器件打开，将电池的负端口与中性节点隔离。
在此描述的产品和/或技术可以提供一个或者多个以下性能。例如，带有缩减的组件的前端转换器可以提供总电路的较低成本、高效率、并且简化控制实现方式。较低额定的组件可以在转换器中被使用，例如，230V系统的额定600V的组件与额定1200V的组件形成对照。转换器的效率可以被提升。可以使用带有单个电感器、单个电流互感器、和单个控制器的前端转换器，减小模拟到数字转换通道的数量并减小成本。可以使用不包含SCR的前端转换器，与带有SCR的转换器相比，获得提高的效率，更少的散热或者没有散热、并且成本减小。在在线操作期间，前端转换器可以使用浮动电压配置的电池以简化充电控制电路。由前端转换器使用的印刷电路板空间可以被减小，而功率密度增大。
虽然描述了成对的产品/技术和对应的效果，不过，通过不同于那些所提及的方式，实现所提及的效果也是可能的，并且所提及的产品/技术可能不一定产生所提及的效果。
附图简述
图1是在线UPS系统的方框图。
图2是在在线UPS系统中没有变压器的情况下的逆变器的方框图。
图3是在线模式中单相功率因数校正电路的方框图。
图4-6是用于从AC电源实现PFC的前端升压转换器的电路图。
图7是在在线UPS的电池模式中前端转换器操作的电路图。
图8是标准升降压转换器电路的电路图。
图9是双升压拓扑的电路图。
图10是三相前端转换器的电路图。
图11是在输入电压的正半周期期间，在线模式中共享组件的前端转换器的电路图。
图12是在输入电压的负半周期期间，在线模式中共享组件的前端转换器的电路图。
图13是电池模式中共享组件的前端转换器的电路图。
图14是在电池模式中，图10中开关状态和电流相对于转换器的输出电压周期的时间曲线图。
图15是在线模式中可选的共享组件的前端转换器的电路图。
图16是在逆变器输出电压的正半周期期间，电池模式中共享组件的三相前端转换器的电路图。
图17是在逆变器输出电压的负半周期期间，电池模式中图16中所示出的共享组件的三相前端转换器的电路图。
图18是在逆变器输出电压的正半周期期间，电池模式中共享组件的三相前端转换器的供选择的电路图。
图19是在逆变器输出电压的负半周期期间，电池模式中图18中所示出的共享组件的三相前端转换器的电路图。
详细描述
此外，在此提供的公开内容描述了在方法和/或装置中体现的用于提供前端转换器的技术，例如，用于包括连接到DC-AC逆变器的前端AC-DC转换器的UPS。例如，提出了带有用于在线和电池操作两者的共享组件和以浮动电压配置连接的电池的前端转换器。优选地为继电器的器件选择性地在在线操作期间将前端转换器连接到AC源，并且在电池操作期间将电池连接到转换器。单个电感器在在线和电池模式之间是共享的，该电感器或者将AC源或者将电池耦合到升压电路。三相前端转换器使用优选地为继电器的器件，通过单个电感器将每个输入相连接到升压电路。用于两个阶段中每个阶段的单个电感器在在线和电池模式之间是共享的。旁路机制优选地被用于在电池模式期间旁路升压电路的输入二极管。此外，电池的正端口或者负端口可以被选择性地连接到转换器，而另一个端口连接到中性，这取决于逆变器输出电压的半个周期。其它的实施方式均在公开内容的范围内。
单相电路
参考图11，共享组件的、单相的前端转换器10包括继电器12、14；电池16；电感器18；电流互感器（CT）20；控制器22；二极管24、26、28、30；以及开关32、34。转换器10的输入端被连接到AC电源40，而其输出端被分别连接到正和负总线电容器36、38。转换器10能够用减小数量的组件以AC电源以及电池16（DC电压）操作。虽然不一定，转换器10优选地被设计为230V系统，即，电池16提供230V DC，而转换器可以被连接到230V AC源40。转换器10的组件优选地额定在大约600V或者更小。转换器10没有使用SCR，并且如以下所描述的，在在线操作期间，电池16被连接到中性线。如图1中所示出的，转换器10优选地连接到逆变器。因此，尽管在图11中没有示出，下文涉及逆变器和逆变器的输出端。
控制器22被耦合并且被配置为监测转换器10的组件的状况和影响状态。控制器22被连接到CT 20以接收通过CT的电流的指示。控制器22还被连接到节点50和52以监测电容器36、38的DC电压。控制器22还被连接到开关32、34以控制开关32、34如所期望地打开（不导通）或者闭合（导通）。控制器22根据一个或者多个相关的状况，例如，AC源的超电压、断电、瞬间电压突增、AC源电压返回至期望状况等等，协调在线和电池模式之间的转换。可选择地，控制器22可以接收由协调转换的独立控制器转换的指示，例如，确定转换条件发生并指示/初始化转换。
电感器18和CT 20由在线和电池模式两者共享。继电器12被耦合并被配置为选择性地将电感器18连接至AC源40或者电池16的正端子。电感器18通过CT 20被连接到正和负升压转换器。电感器18在转换器10中是唯一的电感器。因此，转换器10仅包括单个电感器。这里，“单个”电感器是在示出的电路位置中单个的电感，但是电感可以由多个物理器件组成。继电器14被配置和耦合为选择性地将电池的负端子连接到中性线（连接到AC源40）或者二极管26、开关34和二极管30。
在在线模式中，继电器12、14被连接到常开（NO）位置，而前端转换器10在来自AC源40的输入AC电压下工作。在输入电压的正半周期期间，包括电感器18、CT 20、控制器22、二极管24、28、以及开关32的正升压转换器部分将输入正AC半周期电压转换至DC电压，并将该电压提供到电容器36。在正半周期期间，控制器22可以打开升压开关34并监测正DC总线电容器36的电压和通过CT 20的电流。基于监测的电压和电流，控制器22打开和闭合升压开关32以将电容器36的电压保持在大约期望的水平，例如，在期望的电压范围内。线42示出了当升压开关32开启（闭合/导通）时的电流路径，而线44示出了当升压开关32切断（打开/非导通）时的电流路径。
参考图12，在负半周期期间，控制器22可以打开升压开关32并监测负DC总线电容器38的电压和通过CT 20的电流。基于监测的电压和电流，控制器22打开和闭合升压开关34以将电容器38的电压保持在大约期望的水平，例如，在期望的电压范围内。线46示出了当升压开关34开启（闭合/导通）时的电流路径，而线48示出了当升压开关34切断（打开/非导通）时的电流路径。
在源40的正和负半周期两者期间，电感器18和CT 20携带电流。相反地，二极管24、26、28、30，开关32、34以及电容器36、38，每个仅在输入电压电源40的相应的半周期期间导通电流。
参考图13，再参考图11，在电池模式中，继电器12、14被连接到它们的常闭（NC）位置，而前端转换器10在电池16的DC电压下工作，并与AC电压电源40隔离。与在在线操作期间与输入电压同步形成对照，在电池操作期间，控制器22控制前端转换器10，与节点50、52之间的、连接到转换器10的逆变器（未示出）的输出电压同步。如以下所描述的，在输出电压的半周期，开关32、34均完全闭合，在输出电压的另半个周期如所期望地打开和闭合。此外，如以上和以下所讨论的，当转换器10以在线模式运行时，对于输入电压的正和负半周期两者，以及当转换器10以电池模式运行时，对于输出电压的正和负半周期两者，在转换器10中仅使用单个电感器18。同样的，在在线和电池操作两者期间，仅单个电流互感器20和单个控制器22可以被用于操作转换器10，而继电器14被配置且耦合成选择性地将电池的负端子连接到中性线或者二极管26、开关34、和二极管30。
在输出电压的正半周期期间，控制器22闭合开关34，并如所期望地打开和闭合开关32。控制器22监测通过CT 20的电流和节点50的电压，使用监测的电流和电压来确定脉宽调制（PWM）速率，并且根据确定的PWM速率来打开和闭合开关32，以将节点50的电压保持在大约期望的水平，例如，期望的电压范围内。如线54所示的，当开关32闭合时，电流将流过电池16、继电器12、电感器18、CT 20、二极管24、开关32、开关34和继电器14。当开关32闭合时，电感器18中的电流增大，而能量被储存在电感器18中。如线56所示的，当开关32打开时，电流将流过电池16、继电器12、电感器18、CT 20、二极管24、二极管28、电容器36、开关34和继电器14。当开关32打开时，电感器电流减小，因为能量从电感器18被带走并转移到电容器36，增大了电容器36两端之间的电压，即，节点50处的电压。
在输出电压的负半周期期间，控制器22闭合开关32，并如所期望地打开和闭合开关34。控制器22监测通过CT 20的电流和节点52的电压，使用监测的电流和电压来确定PWM速率，并且根据确定的PWM速率来打开和闭合开关34，以将节点52的电压保持在大约期望的水平，例如，期望的电压范围内。如线54所示的，当开关34闭合时，电流将流过电池16、继电器12、电感器18、CT 20、二极管24、开关32、开关34和继电器14。当开关34闭合时，电感器18中的电流增大，而能量被储存在电感器18中。如线58所示的，当开关34打开时，电流将流过电池16、继电器12、电感器18、CT 20、二极管24、开关32、电容器38、二极管30和继电器14。当开关34打开时，电感器电流减小，因为能量从电感器18被带走并转移到电容器38，增大了电容器38两端之间的电压，即，节点52处的电压。
在图14中示出了电池模式中转换器10的操作。如所示处的，在输出电压的正半周期中，开关34是导通的，而开关32被打开和闭合，产生非零脉动电感器电流、通过开关34的非零波动的电流、以及通过开关32的间歇电流。仍如所示出的，在开关32闭合的时间期间，开关32的电流上升。在输出电压的负半周期中，开关32是导通的，而开关34被打开和闭合，产生非零波动的电感器电流、通过开关32的非零波动的电流、以及通过开关34的间歇电流。随着正半周期中的开关32，在开关34闭合的时间期间，开关34的电流上升。
其它实施方式在所附权利要求的范围和精神内。例如，参考图15，前端转换器60包括与图11-13中所示出的转换器10的组件相类似的组件。然而，转换器60还包括继电器62和控制器64，控制器64被配置为监测电压和电流并控制开关32、34，类似于控制器22，但其还被耦合到继电器62并且被配置为控制继电器62。继电器62被耦合到二极管24两端，并且被配置为选择性地旁路二极管24，当继电器62闭合（导通）时，二极管24本质上被短路。继电器62比二极管24具有较低的损耗，并且与二极管24中的损耗相比，可以低至被忽略不计。控制器64监测转换器60放入模式，即，转换器60处于在线模式还是电池模式。在电池模式期间，控制器64闭合继电器62，而在在线模式期间，控制器64打开继电器62。当在电池模式时，在输出电压的（正和负）半周期两者期间，电流流过转换器10的二极管24，在电池模式期间继电器62被闭合，以通过在转换器60的电池模式期间使电流流过继电器62，而不是流过二极管24来减小能量损耗并提高效率。
三相电路
参考图16，三相的、共享组件的前端转换器110被配置为在电池模式操作中使用前端电感器。与三相前端转换器620相比，与转换器620中被布置在二极管桥接器下游的电池形成对照，转换器110具有布置在二极管桥接器114上游的电池112，并且去除了电感器L，因此与转换器620相比减小了转换器110的成本。转换器110仅用三个电感器实现在线UPS前端转换器操作。如图1中所示出的，转换器110优选地连接到逆变器。因此，尽管在图16中没有示出，下文涉及逆变器和逆变器的输出端。
转换器110包括继电器122、124、126；电感器132、134、136；继电器138、140；CT 142、144；开关146、148；以及二极管150、152。总线电容器154、156分别对应于正和负DC总线地被布置在节点160、162之间。继电器122被布置、耦合且被配置为选择性地将电感器132连接到电池112的正端子113或者对应于源164的第一相位输出端的转换器110的第一相位输入端166中的任意一个。继电器124被布置、耦合且被配置为选择性地将电感器134连接到电池112的负端子115或者对应于源164的第二相位输出端的转换器110的第二相位输入端168中的任意一个。继电器126被布置、耦合且被配置为选择性地将电感器136连接到对应于源164的第三相位输出端的转换器110的第三相位输入端170，或者将电感器136从对应于源164的第三相位输出端的转换器110的第三相位输入端170断开/去耦合。来自源164的电力的每个相位通过相应的单个电感器132、134、136地连接到二极管桥接器114。电池112通过继电器122、124和电感器132、134被连接，来为整流二极管桥接器114提供输入电力。继电器138的一个端部被耦合到电感器132和桥接器114的二极管172的阳极之间，而另一个端部被耦合到二极管172的阴极。继电器138被耦合并被配置为响应于来自控制器180信号地选择性地旁路并本质上短路二极管172。继电器140的一个端部被耦合到电感器134和桥接器114的二极管174的阴极之间，而另一个端部被耦合到二极管174的阳极。继电器140被耦合并被配置为响应于来自控制器180信号地选择性地旁路并本质上短路二极管174。
控制器180被耦合并被配置为监测电流和电压，并且控制继电器122、124、126、138、140的状态。控制器180被耦合到CT 142、144来监测电流，被耦合到输入端166、168、170来确定输入电力的可接受性，被耦合到逆变器的输出端来监测输出电压，并且被耦合到继电器122、124、126、138、140来提供用于设定继电器122、124、126、138、140状态（打开/闭合）的控制信号。
响应于确定输入电力是可接受的，控制器180将转换器110设定为在线状态（或者将转换器110留在在线状态）。在在线操作期间，控制器180将继电器122、124、126设定到它们的将源164连接到电感器132、134、136的NO位置。此外，控制器180将继电器138、140设定到它们的NC（在这里是打开的）位置，以使电流在第一和第二源相位的正和负半周期期间将分别流过二极管172、174。在AC（在线）操作期间转换器110的控制类似于以上所引用的Xu所著的美国专利号7,005,759和IEEE文章中所描述的在线操作。
响应于确定输入电力是不可接受的，控制器180将转换器110设定为电池模式（或者将转换器110留在电池模式）。控制器180发送信号至继电器122、124、126来将继电器122、124、126设定到它们的NC位置。在它们的NC位置，继电器122、124分别将电池112的正和负端子连接到电感器132、134。在其NC位置，继电器126将电感器136与输入端170以及从电池112隔离。另外，响应于确定输入电力是不可接受的，控制器180发送信号来分别将继电器138、140设定到它们的NO（在这里是导通的）位置。在其NO位置，继电器172旁路、基本短路二极管172来有效地直接将电感器132连接到CT 142，电流流过继电器138。在其NO位置，继电器140旁路、基本短路二极管174来有效地直接将电感器134连接到CT144，电流流过继电器140。
控制器180监测逆变器的输出电压；节点160、162的电压；以及通过CT 142、144的电流，并且控制开关146、148来实现在节点160、162处所期望的电压。响应于确定逆变器的输出电压在其正半周期，控制器180发送信号到开关148来闭合开关148，如图16中所示出的。响应于确定逆变器的输出电压在其负半周期，控制器180发送信号到开关146来闭合开关146，如图17中所示出的。
参考图16，在逆变器输出电压的正半周期期间，控制器180调控开关146的打开和闭合。控制器180监测通过CT 142的电流和节点160的电压，使用监测的电流和电压来确定PWM速率，并且根据确定的PWM速率来打开和闭合开关146，以将节点160的电压保持在大约期望的水平，例如，期望的电压范围内。如线182所示的，当开关146闭合时，电流将流过电池112、继电器122、电感器132、继电器138、CT 142、开关146、开关148、CT 144、继电器140、和电感器134。当开关146闭合时，电感器132中的电流增大，而能量被储存在电感器132、134中。如线184所示的，当开关146打开时，电流将流过电池112、继电器122、电感器132、继电器138、CT 142、二极管150、电容器154、开关148、CT 144、继电器140、和电感器134。当开关146打开时，能量从电池112转移到总线电容器154，增大电容器154两端之间的电压，即，节点160处的电压。
参考图17，再参考图16，在逆变器输出电压的负半周期期间，控制器180调控开关148的打开和闭合。控制器180监测通过CT 144（和/或CT 142）的电流和节点162的电压，使用监测的电流和电压来确定PWM速率，并且根据确定的PWM速率来打开和闭合开关148，以将节点162的电压保持在大约期望的水平，例如，期望的电压范围内。如线186所示的，当开关146闭合时，电流将流过电池112、继电器122、电感器132、继电器138、CT 142、开关146、开关148、CT 144、继电器140、和电感器134。当开关148闭合时，电感器132中的电流增大，而能量被储存在电感器132、134中。如线188所示的，当开关148打开时，电流将流过电池112、继电器122、电感器132、继电器138、CT 142、开关146、电容器156、二极管152、CT 144、继电器140和电感器134。当开关148打开时，能量从电池112转移到总线电容器156，增大电容器156两端之间的电压，即，节点162处的电压。参考单相前端转换器的操作，该操作类似于以上所解释的使用带有浮动电池的双升压转换器。
可以使用三相转换器的其它实施方式。例如，参考图18，除了设置了两个继电器292、294以外，转换器210被配置为类似于转换器110。继电器292被连接到电池112的正端子，并且选择性地连接到中性线路296或者连接到开路。继电器294被连接到电池112的负端子，并且选择性地连接到中性线路296或者连接到开路。开关292、294可以是对于电池电压例如230V额定的低电压FET。控制器280除了被配置有许多以上描述的控制器180的功能之外，还被配置为控制开关292、294的状态。转换器210在在线模式中的操作类似于以上所引用的Xu所著的美国专利号7,005,759和IEEE文章中所描述的。如同转换器110，转换器210优选地通过节点160、162连接到逆变器，类似于图1中所示出的，并且由此该逆变器及其输出端在下面被引用但是没有在图18中被示出。控制器280监测逆变器的输出电压；节点160、162的电压；以及通过CT 142、144的电流，并且控制开关146、148、292、294来实现在节点160、162处所期望的电压。响应于确定逆变器的输出电压在其正半周期，控制器280发送信号到开关294来闭合，如图18中所示出的。如同转换器110中的开关148，在正半周期期间开关294将保持闭合。控制器280还发送信号到开关292、148来打开，并且在正半周期期间，这些开关将保持打开。响应于确定逆变器的输出电压在其负半周期，控制器280发送信号到开关292来闭合，如图19中所示出的。如同转换器110中的开关146，在负半周期期间开关292将保持闭合。控制器280还发送信号到开关294、146来打开，并且在负半周期期间，这些开关将保持打开。
在逆变器输出电压的正半周期期间，控制器280调控开关146的打开和闭合。控制器280监测通过CT 142的电流和节点160的电压，使用监测的电流和电压来确定PWM速率，并且根据确定的PWM速率来打开和闭合开关146，以将节点160的电压保持在大约期望的水平，例如，期望的电压范围内。如线300所示的，当开关146闭合时，电流将流过电池112、继电器122、电感器132、继电器138、CT 142、开关146、中性线路296、和开关294。当开关146闭合时，电感器132中的电流增大，而能量被储存在电感器132中。如线302所示的，当开关146打开时，电流将流过电池112、继电器122、电感器132、继电器138、CT 142、二极管150、电容器154、中性线路296、和开关294。当开关146打开时，能量从电池112转移到总线电容器154，增大电容器154两端之间的电压，即，节点160处的电压。
参考图19，在逆变器输出电压的负半周期期间，控制器280调控开关148的打开和闭合。控制器280监测通过CT 144的电流和节点162的电压，使用监测的电流和电压来确定PWM速率，并且根据确定的PWM速率来打开和闭合开关148，以将节点162的电压保持在大约期望的水平，例如，期望的电压范围内。如线304所示的，当开关148闭合时，电流将流过电池112、开关292、中性线路296、开关148、CT 144、继电器140、电感器134、和继电器124。当开关148闭合时，电感器134中的电流增大，而能量被储存在电感器134中。如线306所示的，当开关148打开时，电流将流过电池112、开关292、中性线路296、电容器156、二极管152、CT 144、继电器140、电感器134、和继电器124。当开关148打开时，能量从电池112转移到总线电容器156，增大电容器156两端之间的电压，即，节点162处的电压。

Claims (20)

1.一种在不间断电源（UPS）系统中的前端转换器，包括：
升压电路，其具有第一输入端和第二输入端、正输出节点、负输出节点和中性输出节点，所述升压电路被配置为对进入的交流（AC）电力进行整流，以提供耦合在所述正节点和所述中性节点之间的正电容器的两端之间的正电压，并且提供耦合在所述负节点和所述中性节点之间的负电容器的两端之间的负电压；
电感器，其被耦合到所述升压电路的所述第一输入端；
第一AC输入端和中性AC输入端，该第一AC输入端和中性AC输入端一起被配置为接收交流电力；
电池，其具有负端口和正端口；
第一器件，其被耦合、布置且被配置为选择性地将所述电感器耦合到所述第一AC输入端或者所述电池的所述正端口中的一个；以及
第二器件，其被耦合、布置且被配置为选择性地将所述电池的所述负端口耦合到所述升压电路的所述第二输入端；
其中所述电感器在所述转换器的在线模式和所述转换器的电池模式之间被共享，且在所述电池模式期间，所述电池通过所述电感器被耦合至所述升压电路的所述第一输入端。
2.如权利要求1所述的转换器，还包括单个电流互感器，该单个电流互感器与所述第一器件和所述升压电路的所述第一输入端之间的所述电感器串联耦合。
3.如权利要求2所述的转换器，其中所述升压电路包括第一开关和第二开关，所述转换器还包括耦合到所述单个电流互感器、所述正输出节点、所述负输出节点、以及所述第一开关和所述第二开关的单个控制器，所述单个控制器被配置为耦合到逆变器的输出端，所述逆变器的输出端被耦合到所述正节点和所述负节点，其中所述单个控制器被配置为：
在所述逆变器的所述输出端的电压的正半周期期间，使所述第二开关闭合以及使所述第一开关打开和闭合，以便将所述正输出节点处的电压保持在第一期望范围内；以及
在所述逆变器的所述输出端的电压的负半周期期间，使所述第一开关闭合以及使所述第二开关打开和闭合，以便将所述负输出节点处的电压保持在第二期望范围内。
4.如权利要求1所述的转换器，还包括单个控制器，该单个控制器被耦合到所述第一器件和所述第二器件并且被配置为：
使所述第一器件在所述转换器的所述在线模式期间将所述电感器耦合到所述AC输入端，以及在所述转换器的所述电池模式期间将所述电感器耦合到所述电池的所述正端口；以及
使所述第二器件在所述转换器的所述在线模式期间将所述电池的所述负端口耦合到所述中性节点，以及在所述转换器的所述电池模式期间将所述电池的所述负端口耦合到所述升压电路的所述第二输入端。
5.如权利要求1所述的转换器，其中所述升压电路包括：
第一输入二极管和第二输入二极管，其中所述第一输入二极管的阳极和所述第二输入二极管的阴极连接到所述升压电路的所述第一输入端，而所述第二输入二极管的阳极连接到所述升压电路的所述第二输入端；
第一输出二极管和第二输出二极管；以及
第一开关和第二开关；
其中所述第一输出二极管的阳极被连接到所述第一输入二极管的阴极，所述第二输出二极管的阴极被连接到所述第二输入二极管的阳极，所述第一开关的一个端部被连接在所述第一输入二极管和所述第一输出二极管之间，而另一个端部被连接到中性连接部，以及所述第二开关的一个端部被连接在所述第二输出二极管和所述第二输入二极管之间，而另一个端部被连接到所述中性连接部。
6.如权利要求5所述的转换器，还包括：
第三器件，其耦合到所述第一输入二极管的阳极和所述第一输入二极管的阴极，并且被配置为选择性地旁路所述第一输入二极管；以及
控制器，其被耦合到所述第三器件并且被配置为在所述电池模式期间使所述第三器件闭合以旁路所述第一输入二极管，并在所述在线模式期间使所述第三器件打开。
7.如权利要求1所述的转换器，其中所述第二器件被配置为选择性地将所述电池的所述负端口耦合到所述升压电路的所述第二输入端或者所述负节点中的一个。
8.如权利要求1所述的转换器，其中所述电感器是第一电感器，而所述第一AC输入端被配置为耦合到三相AC源的第一相位端口，所述转换器还包括：
第二AC输入端，其被配置为耦合到所述三相AC源的第二相位端口；
第三AC输入端，其被配置为耦合到所述三相AC源的第三相位端口；
第二电感器，其被耦合在所述第二器件和所述升压电路的所述第二输入端之间，所述第二器件被配置为选择性地将所述第二电感器耦合到所述电池的所述负端口或者所述第二AC输入端中的一个；
第四器件；以及
第三电感器，其被耦合在所述第四器件和所述升压电路的第三输入端之间，所述第四器件被配置为选择性地将所述第三电感器耦合到所述第三AC输入端。
9.如权利要求8所述的转换器，其中所述升压电路包括：
第一输入二极管和第二输入二极管，其中所述第一输入二极管的阳极和所述第二输入二极管的阴极连接到所述升压电路的所述第一输入端，而所述第二输入二极管的阳极连接到所述中性AC输入端；
第三输入二极管和第四输入二极管，其中所述第三输入二极管的阳极和所述第四输入二极管的阴极连接到所述升压电路的所述第二输入端，而所述第四输入二极管的阳极连接到所述中性AC输入端；以及
第五输入二极管和第六输入二极管，其中所述第五输入二极管的阳极和所述第六输入二极管的阴极连接到所述升压电路的所述第三输入端，而所述第六输入二极管的阳极连接到所述中性AC输入端；
所述转换器还包括：
第五器件，其被耦合到所述第四输入二极管的阳极和所述第四输入二极管的阴极，并且被配置为选择性地旁路所述第四输入二极管；以及
控制器，其被耦合到所述第五器件，并且被配置为在所述电池模式期间，使所述第五器件闭合以旁路所述第四输入二极管，并在所述在线模式期间，使所述第五器件打开。
10.如权利要求9所述的转换器，还包括第三器件，该第三器件耦合到所述第一输入二极管的阳极和所述第一输入二极管的阴极，并且被配置为选择性地旁路所述第一输入二极管，所述控制器被耦合到所述第三器件，并且被配置为在所述电池模式期间使所述第三设备闭合以旁路所述第一输入二极管，并在所述在线模式期间使所述第三器件打开。
11.如权利要求8所述的转换器，其中所述升压电路包括：
第一输入二极管和第二输入二极管，其中所述第一输入二极管的阳极和所述第二输入二极管的阴极连接到所述升压电路的所述第一输入端，而所述第二输入二极管的阳极连接到所述中性AC输入端；
第三输入二极管和第四输入二极管，其中所述第三输入二极管的阳极和所述第四输入二极管的阴极连接到所述升压电路的所述第二输入端，而所述第四输入二极管的阳极连接到所述中性AC输入端；以及
第五输入二极管和第六输入二极管，其中所述第五输入二极管的阳极和所述第六输入二极管的阴极连接到所述升压电路的所述第三输入端，而所述第六输入二极管的阳极连接到所述中性AC输入端；
所述转换器还包括：
第一电流互感器，其被耦合在所述第一输入二极管、所述第三输入二极管和所述第五输入二极管的阴极与所述升压电路的正输出二极管的阳极之间；以及
第二电流互感器，其被耦合在所述第二输入二极管、所述第四输入二极管和所述第六输入二极管的阳极与所述升压电路的负输出二极管的阴极之间。
12.如权利要求8所述的转换器，还包括：
正半周期电池开关，其被耦合、布置且被配置为选择性地将所述电池的所述正端口耦合到所述中性节点；
负半周期电池开关，其被耦合、布置且被配置为选择性地将所述电池的所述负端口耦合到所述中性节点；以及
控制器，其被耦合到所述正半周期电池开关和所述负半周期电池开关，并且被配置为：在逆变器输出电压的正半周期期间，使所述正半周期开关打开，以将所述电池的所述正端口与所述中性节点隔离，并且使所述负半周期开关闭合，以将所述电池的所述负端口耦合到所述中性节点；以及在逆变器输出电压的负半周期期间，使所述正半周期开关闭合，以将所述电池的所述正端口耦合到所述中性节点，并且使所述负半周期开关打开，以将所述电池的所述负端口与所述中性节点隔离。
13.如权利要求1所述的转换器，其中所述第一器件和所述第二器件是继电器。
14.一种不间断电源（UPS），包括：
DC-DC前端转换器，包括：
多个转换器输入端，其被配置为耦合到AC电源供给；
正DC前端输出端；
负DC前端输出端；以及
中性前端输出端；
正电容器，其被耦合在所述正DC前端输出端和所述中性前端输出端之间；
负电容器，其被耦合在所述负DC前端输出端和所述中性前端输出端之间；以及
DC-AC逆变器，其被耦合到所述正DC前端输出端、所述负DC前端输出端和所述中性前端输出端，并且包括正DC逆变器输出端和中性DC逆变器输出端；
所述DC-DC前端转换器还包括：
升压电路；
电池；以及
单个电感器，其被耦合到所述升压电路的输入端和一器件之间，该器件被配置为选择性地将所述电感器耦合到所述电池的正端口或者所述转换器输入端中的第一个输入端。
15.如权利要求14所述的UPS，其中所述DC-DC前端转换器被配置在所述转换器的电池模式期间旁路所述转换器的二极管。
16.如权利要求14所述的UPS，其中所述DC-DC前端转换器还包括耦合在所述器件和所述升压电路的所述输入端之间的单个电流互感器。
17.如权利要求14所述的UPS，其中所述多个转换器输入端被配置为耦合到三相AC电源，所述单个电感器是单个第一电感器，所述器件是第一器件，而所述升压电路的所述输入端是所述升压电路的第一输入端，所述DC-DC前端转换器还包括：
单个第二电感器，其被耦合在所述升压电路的第二输入端和一第二器件之间，该第二器件被配置为选择性地将所述第二电感器耦合到所述电池的负端口或者所述转换器输入端中的第二个输入端；以及
单个第三电感器，其被耦合在所述升压电路的第三输入端和一第三器件之间，该第三器件被配置为选择性地将所述第三电感器耦合到所述转换器输入端中的第三个输入端。
18.如权利要求17所述的UPS，其中所述转换器还包括第四器件和第五器件，该第四器件和第五器件被配置为在所述转换器的电池模式期间旁路第一输入二极管和第二输入二极管。
19.如权利要求18所述的UPS，其中所述转换器还包括：
第六器件，其被配置为选择性地将所述电池的所述正端口耦合到所述转换器的中性节点；以及
第七器件，其被配置为选择性地将所述电池的所述负端口耦合到所述转换器的所述中性节点。
20.如权利要求19所述的UPS，其中所述转换器还包括控制器，该控制器被耦合到所述第四器件、所述第五器件、所述第六器件和所述第七器件并且被配置为：
在所述转换器的电池模式期间，使所述第四器件和所述第五器件闭合，以旁路所述第一输入器件和所述第二输入器件；
在所述逆变器的输出电压的正半周期期间，使所述第六器件打开，以将所述电池的所述正端口与所述中性节点隔离，并且使所述第七器件闭合，以将所述电池的所述负端口连接到所述中性节点；以及
在所述逆变器的所述输出电压的负半周期期间，使所述第六器件闭合，以将所述电池的所述正端口连接到所述中性节点，并且使所述第七器件打开，以将所述电池的所述负端口与所述中性节点隔离。
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