CN103001313A - 一种离线式不间断电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离线式不间断电源系统，包含主电源输入连接、蓄电装置、微控制器、直流-直流转换器、逆变器、逆变器输出连接、负载连接、切换元件、充电器，主电源输入连接用于连接到主电源，蓄电装置存储电能及供给直流电压，微控制器生成参考弦波信号并对逆变器进行控制，直流-直流转换器进行直流-直流转换，逆变器接收来自直流-直流转换器的直流电压并将之转换为交流电压，逆变器输出连接接收来自逆变器的交流电压，负载连接用于连接到负载，切换元件有选择地将主电源输入连接和逆变器输出连接中的一个耦合到负载连接，充电器在主电源输入连接耦合到负载连接时对蓄电装置充电，在逆变器输出连接耦合到负载连接时将多余电能回收到蓄电装置。

Description

一种离线式不间断电源系统

技术领域

本发明涉及不间断电源(UPS)领域，特别涉及离线式不间断电源。

背景技术

为了在主电源(例如市电网)故障时确保例如计算机等电子设备和系统正常工作，通常使用不间断电源系统。不间断电源是一种交流电源供应设备，其可在主电源不正常时瞬间提供交流电力供应，确保电子设备或系统能以紧急电源供电。当主电源出现故障时，不间断电源将系统从主电源运行转换为备用电源运行，而在主电源重新开始工作时，从备用电源运行转换为主电源运行。

按照工作方式划分，不间断电源系统可分为在线(on-line)式不间断电源系统和离线(off-line)式不间断电源系统。离线式UPS又称为后备式或脱机式UPS，其特点在于UPS中的逆变器只在市电中断或失常状态下(典型地，在市电电压低于UPS投入电压时)才工作并向负载供电，而在平时不工作，处于备用或脱机的状态。

美国发明专利US 6,094,363A(下面称为“专利文献1”)公开了一种可输出弦波电压并能回收多余能量的离线式不间断电源，其全部内容并入此处作为参考。专利文献1所公开的离线式不间断电源的原理框图如图1所示，该离线式不间断电源能用简单的直流-直流转换器11和逆变器13将DC电池电压转换为AC弦波输出电压，其中，能量回收充电器能将多余的不必要的能量回收到电池，藉以提供高品质且高效率的电力供应。

离线式不间断电源系统仍存在改进的空间。

发明内容

开发本发明以解决上面提到的问题。根据本发明一实施形态，一种不间断电源UPS系统包含主电源输入连接、蓄电装置、微控制器、直流-直流转换器、逆变器、逆变器输出连接、负载连接、切换元件以及充电器。

其中，主电源输入连接包含主电源输入火线和主电源输入零线，用于连接到主电源。

其中，蓄电装置用于存储电能以及供给直流电压。

其中，微控制器用于生成参考弦波信号，并对逆变器中的开关元件进行控制，所述参考弦波信号表征用于直流-直流转换的参考弦波电压。

其中，直流-直流转换器用于接收来自蓄电装置的直流电压，并进行直流-直流转换。

其中，逆变器接收来自直流-直流转换器的直流电压，并将之转换为交流电压。

其中，逆变器输出连接包含逆变器输出火线和逆变器输出零线，用于接收来自逆变器的交流电压。

其中，负载连接包含负载连接火线和负载连接零线，用于连接到负载。

其中，切换元件用于有选择地将主电源输入连接和逆变器输出连接中的一个耦合到负载连接。

其中，充电器用于接收负载连接上的交流电压，在主电源输入连接被耦合到负载连接时对蓄电装置进行充电，以及在逆变器输出连接被耦合到负载连接时将多余的电能回收到蓄电装置中。

其中，在逆变器输出连接被耦合到负载连接的情况下，跟随来自微控制器的参考弦波信号，直流-直流转换器对来自蓄电装置的直流电压进行直流-直流转换，并通过充电器的协调配合，在直流-直流转换器的输出端产生弦波形状的直流电压，逆变器对所述弦波形状的直流电压进行反转，以形成弦波形状的交流电压。

其中，切换元件连接在主电源输入火线、逆变器输出火线以及负载连接火线之间，且主电源输入零线和逆变器输出零线共同直接连接到负载连接零线；或者，切换元件连接在主电源输入零线、逆变器输出零线以及负载连接零线之间，且主电源输入火线和逆变器输出火线共同直接连接到负载连接火线。

其中，逆变器的接地点与充电器的接地点相互隔离，以切断在主电源输入火线和主电源输入零线之间经由逆变器和充电器形成的对于主电源高压脉冲的电气路径。

借助本发明提出的不间断电源系统，可以以与专利文献1的不间断电源系统相比较为低廉的成本实现更为可靠的性能。

附图说明

附图并入说明书并构成说明书的一部分，其示出了本发明的实施例，并与上面给出的对本发明的一般介绍以及下面给出的对实施例的详细描述一起，用于阐释本发明的原理。在附图中：

图1示出了现有技术中的一种离线式UPS系统的原理框图；

图2示出了当仅仅使用一个继电器时在离线式UPS系统主线路中可能存在的高压脉冲电气路径；

图3示出了根据本发明的离线式UPS系统的示意性原理框图；

图4示出了根据本发明一实施例的离线式UPS系统的主线路的原理图；

图5示出了根据图4所示实施例的离线式UPS系统的控制线路的原理框图；

图6示出了根据本发明另一实施例的离线式UPS系统的主线路的原理图；以及

图7示出了根据图6所示实施例的离线式UPS系统的控制线路的原理框图。

具体实施方式

下面参照附图介绍根据本发明的优选实施方式，在附图中，类似的参考标号表示类似的元件，因此不再重复对其详细进行介绍。

图1示出了专利文献1所公开的离线式不间断电源系统的原理框图。该不间断电源主要包括直流-直流转换器11、能量回收充电器12、逆变器13、微控制器14、交流滤波器15、继电器16以及电池17等组成部分，其中，交流滤波器15在作为主电源的市电正常时对市电进行滤波，再经继电器16向负载供给电力。为了在市电不正常时提供电力，跟随来自微控制器14的参考弦波信号，直流-直流转换器11对电池17输出的直流电压进行直流-直流转换，并通过能量回收充电器12的能量回收作用进行波形调整，在直流-直流转换器11的输出端上形成弦波形状的DC电压。接着，逆变器13将此弦波形状的DC电压进行适当的反转，产生弦波形状的AC电压，使得负载获得弦波AC电力供应。能量回收充电器12在市电正常时将负载端子上的AC电压转换为电池17的充电电压，对电池17进行充电；而当市电不正常且UPS利用电池17进行能量输出时，能将多余的不希望的能量回收到电池17，以增进系统整体的效率。

由图1可见，所公开的离线式UPS系统在火线和零线上必须各串接一个继电器(即，总共使用两组可切换触点对)，用于市电模式和电池模式之间的切换，这是为了切断市电回路与电池回路的连接，避免市电中可能含有的高压脉冲串入逆变器，导致逆变器开关元件损坏。相反，如果仅仅使用一个继电器，则可能在市电输入火线和市电输入零线之间形成对于高压脉冲的电气路径。图2示例性地示出了当仅仅使用一个继电器时在离线式UPS系统主线路中可能存在的高压脉冲电气路径。如图2所示，在继电器切合在a、b两点之间的情况下，也就是说，在系统运行在市电模式的情况下，当市电含有高压脉冲时，图2中处于逆变器下臂的开关元件M4将会因高压脉冲施加在源极和漏极之间而导致超压击穿，由此引发线路的短路以及其他某些开关元件的过流击穿。

根据本发明的构思，能够克服现有的离线式UPS系统在主线路结构上存在的前述缺陷和限制，仅仅使用一个继电器(也就是说，仅仅使用一组可切换触点对)进行市电模式和电池模式之间的转换。图3示出了根据本发明的离线式UPS系统的示意性原理框图，如图3所示，单个继电器耦合在市电输入火线I/P-L、逆变器输出火线INV-L和负载连接火线O/P-L之间，市电输入零线I/P-N、逆变器输出零线INV-N和负载连接零线O/P-N直接连通，且逆变器的接地点与充电器的接地点隔离开来。图3示出的是UPS系统处于电池运行模式的情况，来自电池的直流电压被输出到直流-直流转换器，经由直流-直流转换器的直流-直流转换，并借助充电器的能量回收作用进行波形调整，在直流-直流转换器的输出端形成弦波形状的直流电压，此弦波形状的直流电压由逆变器反转为弦波形状的交流电压，供到逆变器输出连接INV-L、INV-N。在市电正常时，如现有技术中所公知的那样，充电器接收负载连接O/P-L、O/P-N上的交流电压，将之转换为直流电压并对电池进行充电。当市电不正常且UPS使用电池转换能量输出时，充电器能够提供能量回收的功能。由图3可见，通过将逆变器的接地点与充电器的接地点进行适当的隔离，切断了在市电输入火线和市电输入零线之间经由逆变器和充电器形成的对于市电高压脉冲的电气路径，因而消除了逆变器开关元件过压损坏的危险。

下面将结合图4和图5介绍根据本发明的离线式UPS系统的一个实施例。图4所示为根据该实施例的离线式UPS系统的主线路的原理图，图5所示为根据该实施例的离线式UPS系统的控制线路的原理框图。

直流-直流转换器包含反馈电路、直流-直流电压调节器及其控制电路，参照图4和图5，图4左侧的变压器(其原方绕组用Np1、Np2示出，副方绕组用Ns示出)、开关元件M6与M7、二极管D1-D4、电感器L1以及电容器C2构成直流-直流电压调节器，图5中的反馈控制器和直流-直流转换PWM信号发生器构成对直流-直流电压调节器的直流-直流电压转换进行控制的控制电路，差分运放器构成反馈电路。具体而言，微控制器生成表征参考弦波电压的参考弦波信号并将之传送给反馈控制器，差分运放器对直流-直流电压调节器输出端上的电压(即图4中A、B两点之间的电压)进行采样，生成反馈信号并传送到反馈控制器，基于对来自微控制器的参考弦波信号与来自差分运放器的反馈信号二者的比较，反馈控制器生成控制信号，以便控制直流-直流转换PWM信号发生器，直流-直流转换PWM信号发生器产生用于开关元件M6、M7的PWM信号PWM1、PWM2，控制直流-直流电压调节器对接收自电池的直流电压进行直流-直流转换。

为了使直流-直流电压调节器输出端上的电压为跟随参考弦波电压的弦波形状的直流电压，充电器通过能量回收功能提供波形调整。充电器包含充电控制器以及充电切换与电压调节器。图4右侧的变压器、电容器C4与C5、二极管D5-D9、开关元件M5构成充电切换与电压调节器，其由图5中的充电控制器进行控制。以负载为电感性负载的情况为例，由于输出电压和电流之间的相位差，输出电流可能流回到直流-直流电压调节器的输出端，由此造成该输出端上的电压的升高，此时，即使直流-直流转换PWM信号发生器没有向直流-直流电压调节器中的开关元件M6、M7输出PWM信号，直流-直流电压调节器输出的电压也会升高，并且，会由于多余的能量而看起来不再像是全波整流后的DC电压，而是像是全波整流的DC电压和一DC电压之和。这样的DC部分被称为用于对电池充电的“多余的能量”。充电器将这部分多余的能量回收到电池中，以便进行弦波波形调整并进一步向直流-直流转换器供给电力，由此提升UPS的整体效率。类似地，例如，当UPS的输出端空载或呈现电容性负载时，同样需要由充电器回收多余的能量。

充电控制器接收来自反馈控制器的控制信号，生成用于控制充电切换与电压调节器中的开关元件M5的PWM信号PWM3。充电控制器激活能量回收的条件为：(1)直流-直流电压调节器输出端上的电压高于参考弦波电压；(2)直流-直流电压调节器的PWM信号不存在。具体而言，由来自反馈控制器的控制信号，充电控制器判断以上两个条件是否成立，当该输出电压异常升高且直流-直流电压调节器的PWM信号不存在时，产生PWM信号以控制充电切换与电压调节器的工作，将多余的能量回收到电池中。

如上所述，在逆变器输出连接被耦合到负载连接的电池运行模式下，充电器将多余的电能回收到蓄电装置中。此外，在主电源输入连接被耦合到负载连接的市电运行模式下，充电器以本领域技术人员所公知的方式运行，对蓄电装置进行充电，其工作过程在此不再赘述。

图4所示的开关元件M1-M4构成逆变器。在来自微控制器的PWM信号PWM4、PWM5的控制下，逆变器对直流-直流电压调节器输出端上的弦波形状的直流电压进行适当的反转，产生弦波形状的交流电压，供到逆变器输出连接INV-L、INV-N。由图4可见，通过将逆变器的接地点与充电器的接地点进行隔离，切断了在市电输入火线和市电输入零线之间经由逆变器和充电器形成的对于市电高压脉冲的电气路径，因而消除了逆变器开关元件过压损坏的危险。

在图4所示的实施例中，直流-直流电压调节器中位于变压器原方的电路、充电切换与电压调节器以及微控制器共同具有一接地点(下面称为第一接地点)，而逆变器以及直流-直流电压调节器中位于变压器副方的电路共同具有另一接地点(下面称为第二接地点)，由于第一接地点与第二接地点相隔离，实现了充电器接地点与逆变器接地点的隔离。可以想到，对逆变器的接地点与充电器的接地点进行隔离的方式存在其他的可能。图6示出了根据本发明另一实施例的离线式UPS系统的主线路的原理图，图7为根据图6所示实施例的离线式UPS系统的控制线路的原理框图。如图6所示，直流-直流电压调节器、逆变器、充电切换与电压调节器中位于变压器副方的电路以及微控制器共同具有第一接地点，而充电切换与电压调节器中位于变压器原方的电路具有第二接地点，第一接地点与第二接地点相隔离，实现了充电器接地点与逆变器接地点的隔离。图6、7所示实施例中与图4、5所示实施例相同的方面将不再重复进行介绍。

本领域技术人员将会明了，对由直流-直流电压调节器产生的弦波形状的直流电压进行采样的反馈电路可采用多种形式实现。例如，一种简单的反馈电路在图7中被示意性地表示为包含电阻器R5、R6的电阻分压式反馈信号采样电路，本领域人员还可以想到，可使用信号采样IC、运算放大器采样电路等等取得反馈信号。特别地，当采用图4所示的隔离方式时，由于反馈信号的接地点(如果存在的话)应与逆变器的接地点隔离，电阻分压式反馈电路此时不再适用，而应选用差动运放采样电路或信号采样IC等反馈电路。当采用图6所示的隔离方式时，仍可直接使用结构最简单的电阻分压式反馈电路或使用普通(非差动)运放采样电路等反馈电路。

另外，在采用图4所示的隔离方式时，由于逆变器的接地点(第二接地点)与微控制器的接地点(第一接地点)隔离，有必要使微控制器对逆变器中的开关元件M1-M4的控制信号PWM4、PWM5经由隔离装置来传送。类似地，在采用图6所示的隔离方式时，使充电控制器对充电切换与电压调节器中的开关元件M5的控制信号PWM3经由隔离装置传送。常用的隔离装置包括光电耦合器、变压器等，不限于图5、图7所示。当使用光电耦合器作为隔离装置时，额外提供一组独立的电源对光电耦合器供电。

本领域技术人员可以想到，不同于图4、6示出的单个继电器串接在火线上的方案，可将单个继电器串接在零线上，而将市电输入火线和逆变器输出火线直接连接到负载连接火线。通过类似地对逆变器和充电器的接地点进行适当的隔离，同样可以达到使用单个继电器进行UPS系统工作模式的切换而消除高压脉冲击穿逆变器开关元件危险的目的。

根据本发明的构思，仅以小的电路改造成本(以图4的方案为例，主要为新增加的隔离装置和独立电源的成本，以及差分运放采样反馈电路的成本)，可以获得省掉一个继电器的优点，特别是在大规模制造中，取得了显著的成本优势。同时，由于继电器数量的减少，还能提供PCB板面积减小、运行可靠性增大的优点。

尽管通过对其具体实施例的描述和图示介绍了本发明，本发明的范围不限制于这些具体细节。本领域技术人员将会明了，在不脱离本发明所提出的一般发明构思的精神和范围的情况下，可作出对这些细节的多种修改、替代和变型。例如，在线路结构方面，附图所示出的仅仅为示例性和说明性的线路结构，不对本发明的范围构成限制。逆变器在图中被示为由四组受到微控制器控制的MOSFET晶体管构成，其他的构造也是可行的，同样地，直流-直流电压调节器可以为任何能进行直流转换的电路，不限于反激式或推挽式拓扑结构等，充电器可以为任何能将交流转换为直流的电路，不限于反激式或降压式拓扑结构等。又如，本领域技术人员将会明了，图4、6中的电容器C2可以由当前的连接位置改为A、B两点之间的位置，取得相同的作用和效果，并且，在直流-直流电压调节器中的变压器的漏感足够大的情况下，也可省略电感器L1。再如，反馈控制器或是构成反馈电路的运算放大器不限于图5、图7所示的HA17082，直流-直流转换PWM信号发生器可以以任何适用的PWM控制芯片为核心构建而成，例如TL494或图5、7所示的SG3525等等，充电控制器也可以以任何适用的PWM控制芯片为核心构建而成，不限于图5、7所示的IC3843等等，对UPS运行模式进行切换的继电器可用晶闸管等开关元件替代，市电电力可经由交流滤波器输入到市电输入火线、零线，负载连接火线、零线与负载之间也可串联交流滤波器。因此，本发明在其更为宽广的实施形态上不限于这些具体细节、示例性结构和连接方式，其范围由所附权利要求及其等价内容给出。

Claims (10)

1.一种不间断电源UPS系统，其特征在于包含主电源输入连接、蓄电装置、微控制器、直流-直流转换器、逆变器、逆变器输出连接、负载连接、切换元件以及充电器，

其中，主电源输入连接包含主电源输入火线和主电源输入零线，用于连接到主电源；

其中，蓄电装置用于存储电能以及供给直流电压；

其中，微控制器用于生成参考弦波信号，并对逆变器中的开关元件进行控制，所述参考弦波信号表征用于直流-直流转换的参考弦波电压；

其中，直流-直流转换器用于接收来自蓄电装置的直流电压，并进行直流-直流转换；

其中，逆变器接收来自直流-直流转换器的直流电压，并将之转换为交流电压；

其中，逆变器输出连接包含逆变器输出火线和逆变器输出零线，用于接收来自逆变器的交流电压；

其中，负载连接包含负载连接火线和负载连接零线，用于连接到负载；

其中，切换元件用于有选择地将主电源输入连接和逆变器输出连接中的一个耦合到负载连接；

其中，充电器用于接收负载连接上的交流电压，在主电源输入连接被耦合到负载连接时对蓄电装置进行充电，以及在逆变器输出连接被耦合到负载连接时将多余的电能回收到蓄电装置中；

其中，在逆变器输出连接被耦合到负载连接的情况下，跟随来自微控制器的参考弦波信号，直流-直流转换器对来自蓄电装置的直流电压进行直流-直流转换，并通过充电器的协调配合，在直流-直流转换器的输出端产生弦波形状的直流电压，逆变器对所述弦波形状的直流电压进行反转，以形成弦波形状的交流电压；

其中，切换元件连接在主电源输入火线、逆变器输出火线以及负载连接火线之间，且主电源输入零线和逆变器输出零线共同直接连接到负载连接零线；或者，切换元件连接在主电源输入零线、逆变器输出零线以及负载连接零线之间，且主电源输入火线和逆变器输出火线共同直接连接到负载连接火线；

且其中，逆变器的接地点与充电器的接地点相互隔离，以切断在主电源输入火线和主电源输入零线之间经由逆变器和充电器形成的对于主电源高压脉冲的电气路径。

2.根据权利要求1的不间断电源UPS系统，其中，直流-直流转换器包含：

反馈电路，其由直流-直流转换器产生的弦波形状直流电压生成表征该电压的反馈信号；

反馈控制器，其接收来自微控制器的参考弦波信号以及来自反馈电路的反馈信号，生成控制信号；

直流-直流转换PWM信号发生器，其接收来自反馈控制器的控制信号，产生PWM控制信号；以及

包含第一变压器以及开关元件的直流-直流电压调节器，其由来自直流-直流转换PWM信号发生器的PWM控制信号控制，对来自蓄电装置的直流电压进行直流-直流转换。

3.根据权利要求2的不间断电源UPS系统，其中，充电器包含充电控制器以及充电切换与电压调节器，充电切换与电压调节器包含第二变压器以及开关元件；其中，当主电源输入连接被耦合到负载连接时，在充电控制器的控制下，充电切换与电压调节器接收负载连接上的交流电压，以对蓄电装置进行充电；且其中，当逆变器输出连接被耦合到负载连接时，充电控制器接收来自反馈控制器的控制信号，在判断为弦波形状的直流电压高于参考弦波电压并且不存在由直流-直流转换PWM信号发生器生成的PWM控制信号的情况下，生成用于控制充电切换与电压调节器的PWM控制信号，充电切换与电压调节器由来自充电控制器的PWM控制信号控制，将多余的电能回收到蓄电装置中。

4.根据权利要求3的不间断电源UPS系统，其中，直流-直流电压调节器中位于第一变压器原方的电路、充电切换与电压调节器以及微控制器共同具有第一接地点，而逆变器以及直流-直流电压调节器中位于第一变压器副方的电路共同具有第二接地点。

5.根据权利要求3的不间断电源UPS系统，其中，直流-直流电压调节器、逆变器、充电切换与电压调节器中位于第二变压器副方的电路以及微控制器共同具有第一接地点，而充电切换与电压调节器中位于第二变压器原方的电路具有第二接地点。

6.根据权利要求4的不间断电源UPS系统，其中，反馈电路被配置为使得反馈信号的接地点与第二接地点隔离；且其中，所述微控制器经由隔离装置对逆变器中的开关元件进行控制。

7.根据权利要求6的不间断电源UPS系统，其中，所述隔离装置为光电耦合器，且其中，所述UPS系统还包含一组分立的电源，以便为光电耦合器提供电源。

8.根据权利要求6的不间断电源UPS系统，其中，所述反馈电路为差分运放采样反馈电路。

9.根据权利要求5的不间断电源UPS系统，其中，充电控制器经由隔离装置对充电切换与电压调节器中的开关元件进行控制。

10.根据权利要求9的不间断电源UPS系统，其中，所述隔离装置为变压器。

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