CN103187746B - 一种不间断电源拓扑 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及不间断电源拓扑，其包含：蓄电装置，用于存储以及供给直流电力；转换器，用于在主电源运行模式下接收来自主电源的交流电力以进行交流-直流转换，或在蓄电装置运行模式下接收来自蓄电装置的直流电力以进行直流-直流转换；逆变器，用于接收由转换器转换得到的直流电力并进行直流-交流转换，以便向负载供给交流电力。转换器包含单相Vienna电路以及附加的第二与第三开关元件(Q2，Q3)。
Description
技术领域
本发明涉及不间断电源(UPS)领域，特别涉及在线式不间断电源。
背景技术
为了在主电源(例如为市电网)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(例如为电池等蓄电装置)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式(on-line)不间断电源系统和离线式(off-line)不间断电源系统。在线式UPS中，当市电正常时，由市电通过UPS给负载供电，即在借助UPS对市电进行滤波、稳压和稳频调整后，向负载提供更加稳定和洁净的电源，同时，UPS通过充电器把电能存储在电池中。当UPS侦测到市电异常时，切换到电池供电，通过逆变器把电池供给的直流电能变换为交流电能提供给负载，以保证对负载的不间断电力供应。在线式UPS还具有旁路(BYPASS)工作状态，例如在刚开机或UPS发生故障、过载或过热时，可以直接输出经高频滤波后的市电输入，保障对负载的供电。因此，在线式UPS具有无转换时间、输出电源品质高、保护性能好、浪涌抑制能力强等优点。
随着对不间断电源性能要求的提高，需要开发出新的电路拓扑结构，以实现体积小、重量轻、效率高的不间断电源。
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，一种在线式不间断电源拓扑包含：
蓄电装置，用于存储以及供给直流电力；
转换器，用于在主电源运行模式下接收来自主电源的交流电力以进行交流-直流转换，或在蓄电装置运行模式下接收来自蓄电装置的直流电力以进行直流-直流转换，转换器包含：
单相Vienna电路，其包含电感器、第一至第六二极管、第一开关元件以及第一与第二电容器，第一与第三二极管串联连接以构成第一串联支路，第一二极管的阳极与第三二极管的阴极相连以构成第一串联支路的中间节点，第二与第四二极管串联连接以构成第二串联支路，第二二极管的阳极与第四二极管的阴极相连以构成第二串联支路的中间节点，第一开关元件与第一串联支路以及第二串联支路并联连接以构成并联支路，第一开关元件的第一端子与第一二极管的阴极以及第二二极管的阴极相连以构成并联支路的第一端点，第一开关元件的第二端子与第三二极管的阳极以及第四二极管的阳极相连以构成并联支路的第二端点，第五二极管与第一电容器串联连接以构成第三串联支路，第五二极管的阴极与第一电容器的第一端相连以构成第三串联支路的中间节点，第五二极管的阳极连接到并联支路的第一端点，第六二极管与第二电容器串联连接以构成第四串联支路，第六二极管的阳极与第二电容器的第一端相连以构成第四串联支路的中间节点，第六二极管的阴极连接到并联支路的第二端点，第一电容器的第二端和第二电容器的第二端共同连接到第二串联支路的中间节点，电感器的第一端连接到第一串联支路的中间节点，来自主电源的交流电力被供到电感器的第二端和第二串联支路的中间节点，来自蓄电装置的直流电力被供到电感器的第二端和并联支路的第二端点，以及
第二与第三开关元件，其串联连接构成第五串联支路，第二开关元件的第二端与第三开关元件的第一端相连以构成第五串联支路的中间节点，第五串联支路与并联支路并联连接，第五串联支路的中间节点与第二串联支路的中间节点相连接；以及
逆变器，其从第三串联支路的中间节点以及第四串联支路的中间节点接收由转换器转换得到的直流电力并进行直流-交流转换，以便向负载供给交流电力。
本发明所提出的不间断电源拓扑将直流-直流转换器与升压拓扑相结合，为构造小型化、高效率的UPS提供了一种有用的拓扑。
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示出了基于根据本发明一实施例的不间断电源拓扑构建而成的示例性不间断电源的原理框图；
图2示出了根据本发明一实施例的不间断电源拓扑中包含的示例性转换器的结构图；
图3示出了图2所示转换器在电池运行模式下的示例性控制逻辑；
图4示出了图2所示转换器在市电运行模式下的示例性控制逻辑；
图5(a)、(b)示出了图2所示转换器在市电运行模式下的另一种示例性控制逻辑；以及
图6示出了示例性的逆变器的结构图。
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示出了基于根据本发明一实施例的在线式UPS拓扑构建而成的示例性不间断电源系统的原理框图。该系统主要包含市电输入滤波器IPEMI、作为蓄电装置的电池、进行交流-直流转换或是直流-直流转换操作的转换器、进行直流-交流转换操作的逆变器、输出滤波器OP EMI、作为市电输入的切换开关的IP继电器、在市电运行模式下对电池进行隔离的SCR以及作为旁路运行的切换开关的BYP继电器。图1中的IP继电器、SCR、BYP继电器、IP EMI、OP EMI等功能模块可以以本领域技术人员常用的多种方式实现和运行，为了不使本发明的重点引起混淆，省略对其的详细介绍。
图1中的转换器在市电运行模式和电池运行模式之间共用，在市电运行模式下，转换器接收来自市电网的交流电力以进行交流-直流转换，或者，在电池运行模式下，转换器接收来自电池的直流电力以进行直流-直流转换。图2示出了根据本发明一实施例的不间断电源拓扑中所包含的示例性转换器的结构图，该转换器以单相Vienna电路为主体部分。
已经知道，具有三电平结构的Vienna电路在有源功率因数校正中具有良好的应用前景。如图2所示，单相Vienna电路包含电感器L1、第一至第四二极管BR1-BR4、第一开关元件Q1、第五与第六二极管D1与D2以及第一与第二电容器C1与C2。第一二极管BR1与第三二极管BR3串联连接以构成第一串联支路，第一二极管BR1的阳极与第三二极管BR3的阴极相连以构成第一串联支路的中间节点，第二二极管BR2与第四二极管BR4串联连接以构成第二串联支路，第二二极管BR2的阳极与第四二极管BR4的阴极相连以构成第二串联支路的中间节点，第一开关元件Q1与如此构成的第一串联支路以及第二串联支路并联连接以构成并联支路，第一开关元件Q1的第一端子与第一二极管BR1的阴极以及第二二极管BR2的阴极相连以构成并联支路的第一端点，第一开关元件Q1的第二端子与第三二极管BR3的阳极以及第四二极管BR4的阳极相连以构成并联支路的第二端点，第五二极管D1与第一电容器C1串联连接以构成第三串联支路，第五二极管D1的阴极与第一电容器C1的第一端相连以构成第三串联支路的中间节点，第五二极管D1的阳极连接到并联支路的第一端点，第六二极管D2与第二电容器C2串联连接以构成第四串联支路，第六二极管D2的阳极与第二电容器C2的第一端相连以构成第四串联支路的中间节点，第六二极管D2的阴极连接到并联支路的第二端点，第一电容器C1的第二端和第二电容器C2的第二端共同连接到第二串联支路的中间节点，电感器L1的第一端连接到第一串联支路的中间节点。
转换器还包含附加的两个开关元件，即第二开关元件Q2与第三开关元件Q3，它们串联连接以构成第五串联支路，第二开关元件Q2的第二端与第三开关元件Q3的第一端相连以构成第五串联支路的中间节点，第五串联支路与Vienna电路中的并联支路并联连接，第五串联支路的中间节点与第二串联支路的中间节点相连接。
经由各自的切换元件/隔离元件，来自市电网的交流电力被供到电感器L1的第二端和第二串联支路的中间节点之间，来自电池的直流电力被供到电感器L1的第二端和并联支路的第二端点之间，并且，由转换器转换得到的直流电力从第三串联支路的中间节点以及第四串联支路的中间节点之间输出。
逆变器连接在转换器的下一级，其从第三串联支路的中间节点以及第四串联支路的中间节点接收由转换器转换得到的直流电力并进行直流-交流转换，以便向负载供给交流电力。在逆变器进行直流-交流转换得到的交流电力的正半周，逆变器从第一电容器C1吸取能量，在逆变器输出端产生由零逐渐上升到波峰、随后又逐渐下降为零的1/2正弦波，类似地，在交流电力的负半周，逆变器从第二电容器C2吸取能量，在逆变器输出端产生由零逐渐下降到波谷、随后又逐渐上升为零的1/2正弦波，由此实现直流-交流转换。
下面将结合图3、4、5(a)以及5(b)来介绍图2所示转换器在电池运行模式以及市电运行模式下的控制逻辑。
如图3所示，在电池运行模式下，第一至第三开关元件Q1-Q3通过其相应的第三端子接收PWM控制信号以受到PWM控制。在逆变器所输出的交流电力的正半周，使用来自电池的直流电力，经由电感器L1、第一二极管BR1、第一开关元件Q1、电池所构成的回路，电感器L1存储能量，经由电感器L1、第一二极管BR1、第五二极管D1、第一电容器C1、第三开关元件Q3、电池构成的回路，电感器L1释放能量，对第一电容器C1充电。在逆变器所输出的交流电力的负半周，使用来自电池的直流电力，经由电感器L1、第一二极管BR1、第一开关元件Q1、电池所构成的回路，电感器L1存储能量，经由电感器L1、第一二极管BR1、第二开关元件Q2、第二电容器C2、第六二极管D2、电池构成的回路，电感器L1释放能量，对第二电容器C2充电。在根据本发明的转换器中，可独立地对第一电容器C1或是第二电容器C2充电，相比于只能同时对第一与第二电容器C1与C2充电的传统Vienna电路，消除了电容器C1、C2的电容量值公差造成的不良影响。同时，由于设置了两个附加的开关元件Q2、Q3，并且由于通常选作开关元件的CMOS管、IGBT或晶体管相比于二极管具有较低的导通压降，电路的整体损耗得以降低，由此降低了电路的温升。
图4示出了市电运行模式下的一种控制逻辑，在市电运行模式下，第一开关元件Q1通过其第三端子接收PWM控制信号以受到PWM控制。在来自市电网的交流电力的正半周，使用来自市电网的交流电力，经由火线L、电感器L1、第一二极管BR1、第一开关元件Q1、第四二极管BR4、零线N所构成的回路，电感器L1存储能量，经由火线L、电感器L1、第五二极管D1、第一电容器C1、零线N构成的回路，电感器L1释放能量，对第一电容器C1充电。在来自市电网的交流电力的负半周，使用来自市电网的交流电力，经由火线L、电感器L1、第三二极管BR3、第一开关元件Q1、第二二极管BR2、零线N所构成的回路，电感器L1存储能量，经由火线L、电感器L1、第三二极管BR3、第六二极管D2、第二电容器C2、零线N构成的回路，电感器L1释放能量，对第二电容器C2充电。
作为替代地，图5a、5b示出了市电运行模式下的另一种控制逻辑，其中，第一至第三开关元件Q1-Q3通过其相应的第三端子接收PWM控制信号以受到PWM控制。在来自市电网的交流电力的正半周，使用来自市电网的交流电力，经由火线L、电感器L1、第一二极管BR1、第一开关元件Q1、第四二极管BR1、零线N构成的回路以及由火线L、电感器L1、第一二极管BR1、第二开关元件Q2、零线N所构成的回路，电感器L1存储能量，经由火线L、电感器L1、第一二极管BR1、第五二极管D1、第一电容器C1、零线N所构成的回路，电感器L1释放能量，对第一电容器C1充电。在来自市电网的交流电力的负半周，使用来自市电网的交流电力，经由火线L、电感器L1、第三二极管BR3、第一开关元件Q1、第二二极管BR2、零线N构成的回路以及由火线L、电感器L1、第三二极管BR3、第三开关元件Q3、零线N所构成的回路，电感器L1存储能量，经由火线L、电感器L1、第三二极管BR3、第六二极管D2、第二电容器C2、零线N所构成的回路，电感器L1释放能量，对第二电容器C2充电。
在如图5a、5b所示的上述第二种控制逻辑下，在市电网的交流电力的正半周，第一开关元件Q1与第二开关元件Q2同步开通和关断，在市电网的交流电力的负半周，第一开关元件Q1与第三开关元件Q3同步开通和关断。然而，可以想到，在市电网的交流电力的正半周，第二开关元件Q2的开通与关断和第一开关元件Q1的开通与关断之间可存在一延迟，类似地，在市电网的交流电力的负半周，第三开关元件Q3的开通与关断和第一开关元件Q1的开通与关断之间可存在一延迟。
本领域技术人员可以容易地基于图2所示的转换器结构来设计和选择电感器、电容器、二极管和开关元件的参数，设计和选择控制模块、驱动模块以及其他外围电路，制作出转换器。例如，开关元件的控制模块可使用PWM调制专用芯片，其内部集成了振荡器、误差比较器、PWM调制器、驱动电路和/或保护电路，仅用集成芯片外加少量的电路即可制成控制简单且稳定性好的转换器。由于控制芯片和外围元器件的设计属于本领域技术人员的公知常识，此处省略对其的详细介绍。
图6地示出了一种示例性逆变器的结构图。在不脱离本发明的一般发明构思的情况下，本领域技术人员可以想到使用其他形式的逆变器来实现直流-交流变换，并将之与图2示出的示例性转换器以及其他多种切换开关、滤波器自由组合，构成根据本发明的一般发明构思的不间断电源系统。逆变器的结构不限于全桥或是图6所示的半桥形式，且逆变器可采用本领域技术人员常用的多种控制逻辑进行控制。
尽管附图中没有示出，根据本发明的实施例的不间断电源还包含充电器，其在市电运行模式下接收来自市电网的交流电力并进行交流-直流转换，以便对电池进行充电。
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。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 (9)
1.一种在线式不间断电源拓扑，其特征在于包含：
蓄电装置，用于存储以及供给直流电力；
转换器，用于在主电源运行模式下接收来自主电源的交流电力以进行交流-直流转换，或在蓄电装置运行模式下接收来自蓄电装置的直流电力以进行直流-直流转换，所述转换器包含：
单相Vienna电路，其包含电感器(L1)、第一至第六二极管(BR1-BR4，D1，D2)、第一开关元件(Q1)以及第一与第二电容器(C1，C2)，第一与第三二极管(BR1，BR3)串联连接以构成第一串联支路，第一二极管(BR1)的阳极与第三二极管(BR3)的阴极相连以构成第一串联支路的中间节点，第二与第四二极管(BR2，BR4)串联连接以构成第二串联支路，第二二极管(BR2)的阳极与第四二极管(BR4)的阴极相连以构成第二串联支路的中间节点，第一开关元件(Q1)与第一串联支路以及第二串联支路并联连接以构成并联支路，第一开关元件(Q1)的第一端子与第一二极管(BR1)的阴极以及第二二极管(BR2)的阴极相连以构成并联支路的第一端点，第一开关元件(Q1)的第二端子与第三二极管(BR3)的阳极以及第四二极管(BR4)的阳极相连以构成并联支路的第二端点，第五二极管(D1)与第一电容器(C1)串联连接以构成第三串联支路，第五二极管(D1)的阴极与第一电容器(C1)的第一端相连以构成第三串联支路的中间节点，第五二极管(D1)的阳极连接到并联支路的第一端点，第六二极管(D2)与第二电容器(C2)串联连接以构成第四串联支路，第六二极管(D2)的阳极与第二电容器(C2)的第一端相连以构成第四串联支路的中间节点，第六二极管(D2)的阴极连接到并联支路的第二端点，第一电容器(C1)的第二端和第二电容器(C2)的第二端共同连接到第二串联支路的中间节点，电感器(L1)的第一端连接到第一串联支路的中间节点，来自主电源的交流电力被供到电感器(L1)的第二端和第二串联支路的中间节点，来自蓄电装置的直流电力被供到电感器(L1)的第二端和并联支路的第二端点，以及
第二与第三开关元件(Q2，Q3)，其串联连接构成第五串联支路，第二开关元件(Q2)的第二端与第三开关元件(Q3)的第一端相连以构成第五串联支路的中间节点，第五串联支路与并联支路并联连接，第五串联支路的中间节点与第二串联支路的中间节点相连接；以及
逆变器，其从第三串联支路的中间节点以及第四串联支路的中间节点接收由转换器转换得到的直流电力并进行直流-交流转换，以便向负载供给交流电力，
其中，
在蓄电装置运行模式下，第一至第三开关元件(Q1-Q3)通过其相应的第三端子接收PWM控制信号以受到PWM控制，使得：
在逆变器所输出的交流电力的正半周，使用来自蓄电装置的直流电力，经由蓄电装置、电感器(L1)、第一二极管(BR1)、第一开关元件(Q1)所构成的回路，电感器(L1)存储能量，经由蓄电装置、电感器(L1)、第一二极管(BR1)、第五二极管(D1)、第一电容器(C1)、第三开关元件(Q3)构成的回路，电感器(L1)释放能量，对第一电容器(C1)充电，
在逆变器所输出的交流电力的负半周，使用来自蓄电装置的直流电力，经由蓄电装置、电感器(L1)、第一二极管(BR1)、第一开关元件(Q1)所构成的回路，电感器(L1)存储能量，经由蓄电装置、电感器(L1)、第一二极管(BR1)、第二开关元件(Q2)、第二电容器(C2)、第六二极管(D2)构成的回路，电感器(L1)释放能量，对第二电容器(C2)充电。
2.根据权利要求1所述的不间断电源拓扑，其中，在主电源运行模式下，第一开关元件(Q1)通过其第三端子接收PWM控制信号以受到PWM控制，使得：
在来自主电源的交流电力的正半周，使用来自主电源的交流电力，经由主电源、电感器(L1)、第一二极管(BR1)、第一开关元件(Q1)、第四二极管(BR4)所构成的回路，电感器(L1)存储能量，经由主电源、电感器(L1)、第五二极管(D1)、第一电容器(C1)构成的回路，电感器(L1)释放能量，对第一电容器(C1)充电；
在来自主电源的交流电力的负半周，使用来自主电源的交流电力，经由主电源、电感器(L1)、第三二极管(BR3)、第一开关元件(Q1)、第二二极管(BR2)所构成的回路，电感器(L1)存储能量，经由主电源、电感器(L1)、第三二极管(BR3)、第六二极管(D2)、第二电容器(C2)构成的回路，电感器(L1)释放能量，对第二电容器(C2)充电。
3.根据权利要求1所述的不间断电源拓扑，其中，在主电源运行模式下，第一至第三开关元件(Q1-Q3)通过其相应的第三端子接收PWM控制信号以受到PWM控制，使得：
在来自主电源的交流电力的正半周，使用来自主电源的交流电力，经由主电源、电感器(L1)、第一二极管(BR1)、第一开关元件(Q1)、第四二极管(BR4)构成的回路以及由主电源、电感器(L1)、第一二极管(BR1)、第二开关元件(Q2)所构成的回路，电感器(L1)存储能量，经由主电源、电感器(L1)、第一二极管(BR1)、第五二极管(D1)、第一电容器(C1)所构成的回路，电感器(L1)释放能量，对第一电容器(C1)充电；
在来自主电源的交流电力的负半周，使用来自主电源的交流电力，经由主电源、电感器(L1)、第三二极管(BR3)、第一开关元件(Q1)、第二二极管(BR2)构成的回路以及由主电源、电感器(L1)、第三二极管(BR3)、第三开关元件(Q3)所构成的回路，电感器(L1)存储能量，经由主电源、电感器(L1)、第三二极管(BR3)、第六二极管(D2)、第二电容器(C2)所构成的回路，电感器(L1)释放能量，对第二电容器(C2)充电。
4.根据权利要求3所述的不间断电源拓扑，其中，在主电源的交流电力的正半周，第一开关元件(Q1)与第二开关元件(Q2)同步开通和关断，在主电源的交流电力的负半周，第一开关元件(Q1)与第三开关元件(Q3)同步开通和关断。
5.根据权利要求3所述的不间断电源拓扑，其中，在主电源的交流电力的正半周，第二开关元件(Q2)的开通与关断和第一开关元件(Q1)的开通与关断之间存在一延迟，在主电源的交流电力的负半周，第三开关元件(Q3)的开通与关断和第一开关元件(Q1)的开通与关断之间存在一延迟。
6.根据权利要求1所述的不间断电源拓扑，其中，第一至第三开关元件(Q1-Q3)选自金属氧化物场效应管和绝缘栅型双极型晶体管。
7.根据权利要求1所述的不间断电源拓扑，其中，来自主电源的交流电力经过第一切换元件供到转换器，来自蓄电装置的直流电力经由第二切换元件供到转换器，来自主电源的交流电力经由第三切换元件供到负载。
8.根据权利要求7所述的不间断电源拓扑，其中，第一至第三切换元件选自继电器以及晶闸管。
9.根据权利要求1所述的不间断电源拓扑，其还包含充电器，在主电源运行模式下，充电器接收来自主电源的交流电力并进行交流-直流转换，对蓄电装置进行充电。
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