CN103683473B - 一种三桥臂拓扑电路及控制方法、不间断电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种三桥臂拓扑电路，包括：并联接在BUS正负输出端之间的三个桥臂、及双向变换桥臂；双向变换桥臂的中点通过第三电感接切换开关的第一端；切换开关的第三端接电路的正电压输入端；电路的电池组接切换开关的第二端和BUS的一个输出端之间；所述切换开关，用于在市电模式且电池组低压时，控制双向变换桥臂为电池组充电；在市电模式且电池组满电、或市电低压时，控制双向变换桥臂为电池组放电。本发明实施例还公开一种不间断电源系统及三桥臂拓扑电路的控制方法。采用本发明实施例，不仅能够提高系统的集成度和器件的利用率，降低系统的成本，而且能够降低系统的热风险，提高系统的可靠性。

Description

一种三桥臂拓扑电路及控制方法、不间断电源系统

技术领域

本发明涉及不间断电源技术领域，特别是涉及一种三桥臂拓扑电路及控制方法、不间断电源系统。

背景技术

相对于传统双边母线的拓扑架构而言，三桥臂拓扑的在线式中小功率UPS（UninterruptedPowerSupply，不间断电源）系统中具有母线电容减半、功率管减少等优势，成为开发低成本在线式UPS的技术研究的焦点。

参照图1，为传统的三桥臂拓扑的不间断电源系统的电路图。如图1所示，传统的三桥臂拓扑可以包括：开关管Q1和Q2构成的PFC（PowerFactorCorrection，功率因数校正）侧高频桥臂；开关管Q3和Q4构成的PFC与INV共用的工频桥臂；开关管Q5和Q6构成的INV侧高频桥臂。第一电感L1为PFC侧的高频电感；第二电感L2为INV侧的高频电感；电容Co为输出电容。第一电容C1并联接在所述BUS正输出端和BUS负输出端之间。

结合图1，传统的UPS系统中，电池组BAT通过可控二极管Q9挂接在三桥臂拓扑的PFC输入侧，共用PFC电路。

现有技术中，为实现不间断电源供电，需要为电池组BAT专门配置一独立的充电器1a。在市电模式下充电器1a为电池组BAT充电；在电池组BAT充满之后，充电器处于闲置状态。由此使得，现有UPS系统的集成度和器件的利用率不高，增加了系统的成本。

发明内容

本发明实施例提供了一种三桥臂拓扑电路及控制方法、不间断电源系统，不仅能够提高系统的集成度和器件的利用率，降低系统的成本，而且能够降低系统的热风险，提高系统的可靠性。

第一方面，提供一种三桥臂拓扑电路，所述电路包括：

第一开关管和第二开关管构成的第一桥臂；第三开关管和第四开关管构成的第二桥臂；第五开关管和第六开关管构成的第三桥臂；三个所述桥臂并联接在BUS正输出端和BUS负输出端之间；

所述第一桥臂的中点经第一电感接所述电路的正电压输入端；所述第二桥臂的中点接所述电路的负电压输入端；所述第三桥臂的中点经第二电感接输出负载；

所述电路的正电压输入端通过第一开关接所述交流电源的正极，所述交流电源的负极接所述电路的负电压输入端；

所述电路还包括：双向变换桥臂；

所述双向变换桥臂包括：第七开关管、第八开关管、第三电感和切换开关；

所述第七开关管和第八开关管串联接在所述BUS正输出端和BUS负输出端之间的；所述第三电感的第一端接所述第七开关管和第八开关管的公共端；所述第三电感的第二端接所述切换开关的第一端；

所述切换开关的第二端接所述电路的电池组的一端；所述电池组的另一端接所述BUS的一个输出端；

所述切换开关的第三端接所述电路的正电压输入端；

所述切换开关，用于在市电模式且电池组低压时，控制所述双向变换桥臂为所述电池组充电；在市电模式且电池组满电、或者市电低压时，控制所述双向变换桥臂为所述电池组放电。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述切换开关包括：第二开关和选择开关；

所述第二开关的第一端接所述选择开关的第一选择端，所述第二开关的第二端接所述选择开关的第二选择端；

所述选择开关的固定端作为所述切换开关的第一端；所述选择开关的第一选择端作为所述切换开关的第二端；所述选择开关的第二选择端作为所述切换开关的第三端。

结合第一方面和第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，

所述电池组的正极接所述切换开关的第二端，所述电池组的负极接所述BUS负输出端；

或者，所述电池组的负极接所述切换开关的第二端，所述电池组的正极接所述BUS正输出端。

结合第一方面和第一方面的第一、二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述第七开关管和第八开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT；

所述IGBT包括一三极管和一二极管；所述三极管的集电极和所述二极管的阴极相接，构成所述IGBT的第一端；所述三极管的发射极和所述二极管的阳极相接，构成所述IGBT的第二端。

结合第一方面和第一方面的第一、二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述第七开关管和第八开关管为金氧半场效晶体管MOSFET；

所述MOSFET包括一MOS管和一二极管构成；所述MOS管的源极和所述二极管的阴极相接，构成所述MOSFET的第一端；所述MOS管的漏极和所述二极管的阳极相接，构成所述MOSFET的第二端。

结合第一方面和第一方面的上述任何一种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述第一开关和第二开关为单掷继电器、单向电子开关、或者晶闸管；

所述选择开关为双掷继电器、双向电子开关或者晶闸管。

第二方面，提供一种不间断电源系统，所述系统包括：交流电源、如第一方面和第一方面的任何一种可能的实现方式所述的三桥臂拓扑电路、以及输出负载；

其中，所述电路的正电压输入端通过第一开关接所述交流电源的正极，所述交流电源的负极接所述电路的负电压输入端；

所述输出负载接在所述第二电感和所述电路的负电压输入端之间。

第三方面，提供一种三桥臂拓扑电路的控制方法，所述方法用于控制如第一方面任何一种可能的实现方式所述的三桥臂拓扑电路，所述方法包括：

第一工作模式：控制第一开关闭合、第二开关断开、选择开关打到第一选择端；在第一阶段，控制第七开关管开通、第八开关管关断；在第二阶段，控制第七开关管关断，第八开关管开通；

第二工作模式：控制第一开关断开、第二开关闭合、选择开关打到第一选择端；在第一阶段，控制第七开关管关断、第八开关管开通；在第二阶段，控制第七开关管开通、第八开关管关断；

第三工作模式：控制第一开关闭合、第二开关断开、选择开关打到第二选择端；在第一阶段，控制第七开关管关断、第八开关管开通；在第二阶段，控制第七开关管开通、第八开关管关断；

第四工作模式：控制第一开关闭合、第二开关断开、选择开关打到第二选择端；在第一阶段，控制第七开关管开通、第八开关管关断；在第二阶段，控制第七开关管关断，第八开关管开通。

本发明实施例所述三桥臂拓扑电路中，在传统的三桥臂拓扑结构的基础上增加双向交换桥臂，在市电模式且电池组BAT低压时，所述双向交换桥臂工作在Buck模式，为所述电池组BAT充电；在市电模式且电池组BAT满电、或市电低压的情况下，所述双向交换桥臂由Buck模式调整为Boost模式，将所述双向交换桥臂和所述第一桥臂并联，所述双向交换桥臂分担第一桥臂的功率，可以实现对输入市电或电池组BAT进行升压，保证系统的输出功率，同时还可以降低第一桥臂升压电路的电流应力风险和热损耗风险，提高系统可靠性，降低设计冗余，保证高功率密度。

由此可见，采用本发明实施例，通过所述双向交换桥臂，不仅可以实现对电路中的电池组BAT的充电功能，提高了系统的集成度和器件的利用率，降低系统的成本；而且，还能够降低系统的热风险，提高系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的三桥臂拓扑的不间断电源系统的电路图；

图2为本发明实施例一的三桥臂拓扑电路的结构图；

图3为本发明实施例一的三桥臂电路的第一工作模式的第一阶段的电流示意图；

图4为本发明实施例一的三桥臂电路的第一工作模式的第二阶段的电流示意图；

图5为本发明实施例一的三桥臂电路的第二工作模式的第一阶段的电流示意图；

图6为本发明实施例一的三桥臂电路的第二工作模式的第二阶段的电流示意图；

图7为本发明实施例一的三桥臂电路的第三工作模式的第一阶段的电流示意图；

图8为本发明实施例一的三桥臂电路的第三工作模式的第二阶段的电流示意图；

图9为本发明实施例一的三桥臂电路的第四工作模式的第一阶段的电流示意图；

图10为本发明实施例一的三桥臂电路的第四工作模式的第二阶段的电流示意图；

图11为本发明实施例二所述的三桥臂拓扑电路的结构图；

图12为本发明实施例二的三桥臂电路的第一工作模式的第一阶段的电流示意图；

图13为本发明实施例二的三桥臂电路的第一工作模式的第二阶段的电流示意图；

图14为本发明实施例二的三桥臂电路的第二工作模式的第一阶段的电流示意图；

图15为本发明实施例二的三桥臂电路的第二工作模式的第二阶段的电流示意图；

图16为本发明实施例二的三桥臂电路的第三工作模式的第一阶段的电流示意图；

图17为本发明实施例二的三桥臂电路的第三工作模式的第二阶段的电流示意图；

图18为本发明实施例二的三桥臂电路的第四工作模式的第一阶段的电流示意图；

图19为本发明实施例二的三桥臂电路的第四工作模式的第二阶段的电流示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种三桥臂拓扑电路及控制方法、不间断电源系统，不仅能够提高系统的集成度和器件的利用率，降低系统的成本，而且能够降低系统的热风险，提高系统的可靠性。

参照图2，为本发明实施例一所述的三桥臂拓扑电路的结构图。如图2所示，所述电路包括：交流电源AC、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第一电容C1、输出电容Co、第一电感L1、第二电感L2、电池组BAT、第一开关K1。

所述第一开关管Q1和第二开关管Q2串联接在BUS正输出端和BUS负输出端之间，构成第一桥臂，亦称为PFC侧高频桥臂。具体的，所述第一开关管Q1的第一端接所述BUS正输出端，所述第一开关管Q1的第二端接所述第二开关管Q2的第一端；所述第二开关管Q2的第二端接所述BUS负输出端。所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2的公共端称为所述第一桥臂的中点。

所述第三开关管Q3和第四开关管Q4串联接在BUS正输出端和BUS负输出端之间，构成第二桥臂，亦称为PFC与INV共用的工频桥臂。具体的，所述第三开关管Q3的第一端接所述BUS正输出端，所述第三开关管Q3的第二端接所述第四开关管Q4的第一端；所述第四开关管Q4的第二端接所述BUS负输出端。所述第三开关管Q3和所述第四开关管Q4的公共端称为所述第二桥臂的中点。

所述第五开关管Q5和第六开关管Q6串联接在BUS正输出端和BUS负输出端之间，构成第三桥臂，亦称为INV侧高频桥臂。具体的，所述第五开关管Q5的第一端接所述BUS正输出端，所述第五开关管Q5的第二端接所述第六开关管Q6的第一端；所述第六开关管Q6的第二端接所述BUS负输出端。所述第五开关管Q5和所述第六开关管Q6的公共端称为所述第三桥臂的中点。

所述交流电源AC的正极接所述第一开关K1的第一端，所述第一开关K1的第二端作为所述电路的正电压输入端AC_L；所述交流电源AC的负极作为所述电路的负电压输入端AC_N。

所述第一电感L1为所述电路PFC侧的高频电感。具体的，所述第一桥臂的中点通过所述第一电感L1接所述电路的正电压输入端AC_L。

所述第二桥臂的中点接所述电路的负电压输入端AC_N。

所述第二电感L2为所述电路INV侧的高频电感。具体的，所述第三桥臂的中点经所述第二电感L2接输出负载。如图所示，所述第三桥臂的中点接所述第二电感L2的第一端，所述第二电感L2的第二端接输出电容Co的第一端；所述输出电容Co的第二端接所述电路的负电压输入端AC_N。

所述第一电容C1并联接在所述BUS正输出端和BUS负输出端之间。

所述电路还包括：双向交换桥臂。其中，所述双向交换桥臂包括：第七开关管Q7、第八开关管Q8、第三电感L3和切换开关10。

如图2所示，所述第七开关管Q7和第八开关管Q8串联接在BUS正输出端和BUS负输出端之间。具体的，所述第七开关管Q7的第一端接所述BUS正输出端，所述第七开关管Q7的第二端接所述第八开关管Q8的第一端；所述第八开关管Q8的第二端接所述BUS负输出端。

所述第七开关管Q7和所述第八开关管Q8的公共端接所述第三电感L3的第一端，所述第三电感L3的第二端接所述切换开关10的第一端。

如图2所示，所述切换开关10可以包括：第二开关K2和选择开关K3。

所述第二开关K2的第一端接所述选择开关K3的第一选择端，所述第二开关K2的第二端接所述选择开关K3的第二选择端。

所述选择开关K3的固定端作为所述切换开关10的第一端，接所述第三电感L3的第二端。所述选择开关K3的第一选择端作为所述切换开关10的第二端，接所述电路的电池组BAT的一端。所述选择开关K3的第二选择端作为所述切换开关10的第三端，接所述电路的正电压输入端AC_L，即为所述第一开关K1的第二端。

需要注意的是，本发明实施例所述电路中，所述电池组BAT接在所述切换开关10和BUS的一个输出端之间。具体的，图2所示本发明实施例一所述的电路中，所述电池组BAT的正极接所述切换开关10的第二端，所述电池组BAT的负极接所述BUS负输出端。

本发明实施例中，所述切换开关10，用于在市电模式且电池组低压时，控制所述双向变换桥臂为所述电池组BAT充电；在市电模式且电池组满电、或者市电低压时，控制所述双向变换桥臂为所述电池组BAT放电。

具体的，在市电模式且电池组低压时，所述切换开关10控制所述电池组BAT挂接在所述PFC侧的高频电感（即为第一电感L1）和BUS负输出端之间，所述双向变换桥臂工作在BUCK模式，通过从BUS母线上取电，为所述电池组BAT充电。

在市电模式且电池组满电、或者市电低压时，所述切换开关10控制所述电池组BAT接在所述双向变换桥臂与所述BUS负输出端之间，所述双向变换桥臂与第一桥臂并联，所述双向变换桥臂工作在Boost模式，为所述电池组BAT放电。此时，所述双向变换桥臂分担主功率电路中的电流，使得在市电低压模式下，该电路仍能输出更大的功率；同时，所述双向变换桥臂与第一桥臂并联，分担第一桥臂的功率，还可以降低第一桥臂升压电路的电流应力风险和热损耗风险，提高系统可靠性，降低设计冗余，保证高功率密度。

本发明实施例一中，所述三桥臂拓扑电路采用传统三桥臂加双向变换桥臂的拓扑结构。传统的三桥臂结构包括六个开关管（第一开关管Q1至第六开关管Q6）构成的三个桥臂，分别为PFC侧高频桥臂、PFC与INV共用的工频桥臂和INV侧高频桥臂。该三个桥臂构成了UPS在市电/电池模式下实现AC-DC-ACV的主拓扑电路。

进一步的，本发明实施例所述电路中，还包括双向交换桥臂。所述双向变换桥臂由第七开关管Q7、第八开关管Q8、第三电感L3以及切换开关10组成。有此使得，本发明实施例所述三桥臂拓扑电路中，在市电模式且电池组BAT低压时，电池组BAT需要充电，切换开关10控制电池组BAT挂接在第一电感L1和BUS负输出端上，双向变换桥臂工作于Buck模式，通过采用从BUS母线上取电的方式，为电池组BAT充电；在市电模式且电池组BAT满电、或市电低压的情况下，双向变换桥臂与第一桥臂并联且工作于Boost模式，分担主功率电路中的电流，使得电路能够得到更大的输出功率；同时，所述双向变换桥臂与第一桥臂并联，分担第一桥臂的功率，还可以降低第一桥臂升压电路的电流应力风险和热损耗风险，提高系统可靠性，降低设计冗余，保证高功率密度。

由此可见，采用本发明实施例，不需要外加的充电器即可实现对电路中的电池组BAT的充电功能，提高了系统的集成度和器件的利用率，降低系统的成本。

具体的，下面结合图3至图8对本发明实施例一所述的三桥臂电路进行详细介绍。参照图3至图8，分别为本发明实施例一所述的三桥臂电路的第一工作模式至第六工作模式的电流示意图。

参照图3和图4，分别为本发明实施例一的三桥臂电路的第一工作模式的第一阶段和第二阶段的电流示意图。

如图3所示，在所述三桥臂电路的第一工作模式的第一阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第一选择端（接所述电池组BAT的正极）。此时，所述双向变换桥臂工作于Buck模式，第七开关管Q7开通，第八开关管Q8关断。此时，电路中的电流流向为：BUS正输出端－＞第七开关管Q7－＞第三电感L3－＞电池组BAT－＞BUS负输出端，构成了充电器的储能回路。

如图4所示，在所述三桥臂电路的第一工作模式的第二阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第一选择端（接所述电池组BAT的正极）。此时，所述双向变换桥臂工作于Buck模式，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通。此时，电路中的电流流向为：第三电感L3－＞电池组BAT－＞第八开关管Q8－＞第三电感，构成了Buck放电器的续流回路。

以上所述三桥臂电路的第一工作模式的两个阶段构成了电池组BAT的充电过程，所述电池组BAT充电完成。

参照图5和图6，分别为本发明实施例一的三桥臂电路的第二工作模式的第一阶段和第二阶段的电流示意图。

如图5所示，在所述三桥臂电路的第二工作模式的第一阶段：第一开关K1断开，第二开关K2闭合，选择开关K3打到第一选择端（接所述电池组BAT的正极）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在放电器模式下，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通。此时，电路中的电流流向为：电池组BAT的正极－＞第三电感L3－＞第八开关管Q8－＞电池组BAT的负极，构成了第三电感L3的储能环节。

如图6所示，在所述三桥臂电路的第二工作模式的第二阶段：第一开关K1断开，第二开关K2闭合，选择开关K3打到第一选择端（接所述电池组BAT的正极）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在放电器模式下，第七开关管Q7开通，第八开关管Q8关断。此时，电路中的电流流向为：电池组BAT的正极－＞第三电感L3－＞第七开关管Q7－＞BUS正输出端－＞第一电容C1－＞电池组BAT的负极（也即为BUS负输出端），构成了第三电感L3的续流回路，为BUS电容（第一电容C1）充电。

参照图7和图8，分别为本发明实施例一的三桥臂电路的第三工作模式的第一阶段和第二阶段的电流示意图。

如图7所示，在所述三桥臂电路的第三工作模式的第一阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第二选择端（接电路的正电压输入端AC_L）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在市电输入正半周模式下，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通。此时，电路中的电流流向为：电路的正电压输入端AC_L－＞第三电感L3－＞第八开关管Q8－＞第四开关管Q4－＞电路的负电压输入端AC_N，构成了第三电感L3的储能回路。

如图8所示，在所述三桥臂电路的第三工作模式的第二阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第二选择端（接电路的正电压输入端AC_L）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在市电输入正半周模式下，第七开关管Q7开通，第八开关管Q8关断。此时，电路中的电流流向为：电路的正电压输入端AC_L－＞第三电感L3－＞第七开关管Q7－＞BUS正输出端－＞BUS负输出端－＞第四开关管Q4－＞电路的负电压输入端AC_N，构成了第三电感L3的续流回路，为BUS电容（第一电容C1）充电。

参照图9和图10，分别为本发明实施例一的三桥臂电路的第四工作模式的第一阶段和第二阶段的电流示意图。

如图9所示，在所述三桥臂电路的第四工作模式的第一阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第二选择端（接电路的正电压输入端AC_L）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在市电输入负半周模式下，第七开关管Q7开通，第八开关管Q8关断。此时，电路中的电流流向为：电路的负电压输入端AC_N－＞第三开关管Q3－＞第七开关管Q7－＞第三电感L3－＞电路的正电压输入端AC_L，构成了第三电感L3的储能回路。

如图10所示，在所述三桥臂电路的第四工作模式的第二阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第二选择端（接电路的正电压输入端AC_L）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在市电输入负半周模式下，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通。此时，电路中的电流流向为：电路的负电压输入端AC_N－＞第三开关管Q3－＞第一电容C1－＞第八开关管Q8－＞第三电感L3－＞电路的正电压输入端AC_L，构成了第三电感L3的续流回路，为BUS电容（第一电容C1）充电。

需要说明的是，本发明实施例一中，所述电池组BAT接在所述切换开关10的第二端和所述BUS负输出端之间。在本发明实施例二中，所述电池组BAT还可以接在所述切换开关10的第二端和所述BUS正输出端之间。

参照图11，为本发明实施例二所述的三桥臂电路的结构图。如图11所示，所述电路包括：交流电源AC、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第一电容C1、输出电容Co、第一电感L1、第二电感L2、电池组BAT。

实施例二中，所述第一开关管Q1至第六开关管Q6构成传统的三桥臂拓扑，该结构与实施例一相同，在此不再赘述。

实施例二中，所述电路还包括：双向交换桥臂。其中，所述双向交换桥臂包括：第七开关管Q7、第八开关管Q8、第三电感L3和切换开关10。

如图11所示，所述第七开关管Q7和第八开关管Q8串联接在BUS正输出端和BUS负输出端之间。

所述第七开关管Q7和所述第八开关管Q8的公共端接所述第三电感L3的第一端，所述第三电感L3的第二端接所述切换开关10的第一端。

如图11所示，所述切换开关10可以包括：第二开关K2和选择开关K3。

所述第二开关K2的第一端接所述选择开关K3的第一选择端，所述第二开关K2的第二端接所述选择开关K3的第二选择端。

所述选择开关K3的固定端作为所述切换开关10的第一端，接所述第三电感L3的第二端。所述选择开关K3的第一选择端作为所述切换开关10的第二端，接所述电路的电池组BAT的一端。所述选择开关K3的第二选择端作为所述切换开关10的第三端，接所述电路的正电压输入端AC_L，即为所述第一开关K1的第二端。

需要注意的是，本发明实施例所述电路中，所述电池组BAT接在所述切换开关10和BUS的一个输出端之间。具体的，图3所示本发明实施例二所述的电路中，所述电池组BAT的负极接所述切换开关10的第二端，所述电池组BAT的正极接所述BUS正输出端。

本发明实施例中，所述切换开关10，用于在市电模式下，控制所述双向变换桥臂为所述电池组BAT充电；在电池低压或市电低压模式下，控制所述双向变换桥臂为所述电池组BAT放电。

具体的，在市电模式下，所述切换开关10控制所述电池组BAT挂接在所述PFC侧的高频电感（即为第一电感L1）和BUS负输出端之间，所述双向变换桥臂工作在BUCK模式，通过从BUS母线上取电，为所述电池组BAT充电。

在电池低压或市电低压模式下，所述切换开关10控制所述电池组BAT接在所述双向变换桥臂与所述BUS负输出端之间，所述双向变换桥臂与第一桥臂并联，且工作在Boost模式，为所述电池组BAT放电。所述双向变换桥臂分担主功率电路中的电流，使得在电池低压或市电低压模式下，该电路仍能输出更大的功率。

具体的，下面结合图12至图19对本发明实施例二所述的三桥臂电路进行详细介绍。

参照图12和图13，分别为本发明实施例二的三桥臂电路的第一工作模式的第一阶段和第二阶段的电流示意图。

如图12所示，在所述三桥臂电路的第一工作模式的第一阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第一选择端（接电池组BAT的负极）。此时，所述双向变换桥臂工作于Buck模式，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通。此时，电路中的电流流向为：BUS正输出端－＞电池组BAT正极－＞电池组BAT负极－＞第三电感L3－＞第八二极管Q8＞BUS负输出端，构成了充电器的储能回路。

如图13所示，在所述三桥臂电路的第一工作模式的第二阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第一选择端（接电池组BAT的负极）。此时，所述双向变换桥臂工作于Buck模式，第七开关管Q7开通，第八开关管Q8关断。此时，电路中的电流流向为：电池组BAT负极－＞第三电感L3－＞第七开关管Q7－＞电池组BAT正极，构成了Buck放电器的续流回路。

以上所述三桥臂电路的第一工作模式的两个阶段构成了电池组BAT的充电过程，所述电池组BAT充电完成。

参照图14和图15，分别为本发明实施例二的三桥臂电路的第二工作模式的第一阶段和第二阶段的电流示意图。

如图14所示，在所述三桥臂电路的第二工作模式的第一阶段：第一开关K1断开，第二开关K2闭合，选择开关K3打到第一选择端（接电池组BAT的负极）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在放电器模式下，第七开关管Q7开通，第八开关管Q8关断。此时，电路中的电流流向为：电池组BAT的正极－＞第七开关管Q7－＞第三电感L3－＞电池组BAT的负极，构成了第三电感L3的储能环节。

如图15所示，在所述三桥臂电路的第二工作模式的第二阶段：第一开关K1断开，第二开关K2闭合，选择开关K3打到第一选择端（接电池组BAT的负极）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在放电器模式下，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通。此时，电路中的电流流向为：电池组BAT的正极－＞BUS正输出端－＞第一电容C1－＞BUS负输出端－＞第八开关管Q8－＞第三电感L3－＞电池组BAT的负极，构成了第三电感L3的续流回路，为BUS电容（第一电容C1）充电。

参照图16和图17，分别为本发明实施例二的三桥臂电路的第三工作模式的第一阶段和第二阶段的电流示意图。

如图16所示，在所述三桥臂电路的第三工作模式的第一阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第二选择端（接电路的正电压输入端AC_L）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在市电输入正半周模式下，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通。此时，电路中的电流流向为：电路的正电压输入端AC_L－＞第三电感L3－＞第八开关管Q8－＞第四开关管Q4－＞电路的负电压输入端AC_N，构成了第三电感L3的储能回路。

如图17所示，在所述三桥臂电路的第三工作模式的第二阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第二选择端（接电路的正电压输入端AC_L）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在市电输入正半周模式下，第七开关管Q7开通，第八开关管Q8关断。此时，电路中的电流流向为：电路的正电压输入端AC_L－＞第三电感L3－＞第七开关管Q7－＞BUS正输出端－＞BUS负输出端－＞第四开关管Q4－＞电路的负电压输入端AC_N，构成了第三电感L3的续流回路，为BUS电容（第一电容C1）充电。

参照图18和图19，分别为本发明实施例二的三桥臂电路的第四工作模式的第一阶段和第二阶段的电流示意图。

如图18所示，在所述三桥臂电路的第四工作模式的第一阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第二选择端（接电路的正电压输入端AC_L）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在市电输入负半周模式下，第七开关管Q7开通，第八开关管Q8关断。此时，电路中的电流流向为：电路的负电压输入端AC_N－＞第三开关管Q3－＞第七开关管Q7－＞第三电感L3－＞电路的正电压输入端AC_L，构成了第三电感L3的储能回路。

如图19所示，在所述三桥臂电路的第四工作模式的第二阶段：第一开关K1闭合，第二开关K2断开，选择开关K3打到第二选择端（接电路的正电压输入端AC_L）。此时，所述双向变换桥臂工作于Boost模式，在市电输入负半周模式下，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通。此时，电路中的电流流向为：电路的负电压输入端AC_N－＞第三开关管Q3－＞第一电容C1－＞第八开关管Q8－＞第三电感L3－＞电路的正电压输入端AC_L，,构成了第三电感L3的续流回路，为BUS电容（第一电容C1）充电。

本发明实施例所述三桥臂电路，在三桥臂拓扑的基础上增加双向交换桥臂，实现充电器的功能，以保证在电池组BAT备电不足的情况下，给电池组BAT充电。具体的，该双向交换桥臂在市电模式下，工作在Buck模式，为所述电池组BAT充电；在电池组BAT低压或市电低压的情况下，将Buck模式调整为Boost模式，按照输出功率比将第一桥臂和双向交换桥臂并联，实现对市电或电池组BAT进行升级，保证输出功率，降低第一桥臂升压电路的电流应力风险和热损耗风险，降低设计冗余，保证高功率密度。

本发明实施例中，所述双向交换桥臂在放电模式下的Boost工作模式，可以有效减小BUS电容的数量，保证低成本前提下实现市电和电池组BAT之间的不间断切换。

需要说明的是，本发明实施例中，所述第七开关管Q7和第八开关管Q8可以采用带体内二极管的半导体开关管、或者是二极管与半导体开关的反向并联组合、或者是分别为一个半导体开关和一个二极管等。

具体的，所述第七开关管Q7和第八开关管Q8可以为绝缘栅双极型晶体管IGBT或者是金氧半场效晶体管MOSFET。

具体的，当所述第七开关管和第八开关管为IGBT时，所述IGBT可以包括一三极管和一二极管；所述三极管的集电极和所述二极管的阴极相接，构成所述IGBT的第一端；所述三极管的发射极和所述二极管的阳极相接，构成所述IGBT的第二端。

当所述第七开关管和第八开关管为MOSFET时，所述MOSFET可以包括一MOS管和一二极管构成；所述MOS管的源极和所述二极管的阴极相接，构成所述MOSFET的第一端；所述MOS管的漏极和所述二极管的阳极相接，构成所述MOSFET的第二端。

本发明实施例中，所述第一开关K1和第二开关K2可以为单掷继电器或者单向电子开关、晶闸管等。所述选择开关K3可以为双掷继电器、双向电子开关或者晶闸管等。

本发明实施例还提供一种不间断电源系统，所述系统包括：交流电源、如上述任何一种实施例所述的三桥臂拓扑电路、以及输出负载。

其中，所述电路的正电压输入端通过第一开关接所述交流电源的正极，所述交流电源的负极接所述电路的负电压输入端；所述输出负载接在所述第二电感和所述电路的负电压输入端之间。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种三桥臂拓扑电路，其特征在于，所述电路包括：

第一开关管和第二开关管构成的第一桥臂；第三开关管和第四开关管构成的第二桥臂；第五开关管和第六开关管构成的第三桥臂；三个所述桥臂并联接在BUS正输出端和BUS负输出端之间；

所述第一桥臂的中点经第一电感接所述电路的正电压输入端；所述第二桥臂的中点接所述电路的负电压输入端；所述第三桥臂的中点经第二电感接输出负载；

所述电路的正电压输入端通过第一开关接交流电源的正极，所述交流电源的负极接所述电路的负电压输入端；

所述电路还包括：双向变换桥臂；

所述双向变换桥臂包括：第七开关管、第八开关管、第三电感和切换开关；

所述第七开关管和第八开关管串联接在所述BUS正输出端和BUS负输出端之间；所述第三电感的第一端接所述第七开关管和第八开关管的公共端；所述第三电感的第二端接所述切换开关的第一端；

所述切换开关的第二端接所述电路的电池组的一端；所述电池组的另一端接所述BUS的一个输出端；

所述切换开关的第三端接所述电路的正电压输入端；

所述切换开关，用于在市电模式且电池组低压时，控制所述双向变换桥臂为所述电池组充电；在市电模式且电池组满电、或者市电低压时，控制所述双向变换桥臂为所述电池组放电；

所述切换开关包括：第二开关和选择开关；

所述第二开关的第一端接所述选择开关的第一选择端，所述第二开关的第二端接所述选择开关的第二选择端；

所述选择开关的固定端作为所述切换开关的第一端；所述选择开关的第一选择端作为所述切换开关的第二端；所述选择开关的第二选择端作为所述切换开关的第三端。

2.根据权利要求1所述的三桥臂拓扑电路，其特征在于，

所述电池组的正极接所述切换开关的第二端，所述电池组的负极接所述BUS负输出端；或者，

所述电池组的负极接所述切换开关的第二端，所述电池组的正极接所述BUS正输出端。

3.根据权利要求1或2所述的三桥臂拓扑电路，其特征在于，所述第七开关管和第八开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT；

所述IGBT包括一三极管和一二极管；所述三极管的集电极和所述二极管的阴极相接，构成所述IGBT的第一端；所述三极管的发射极和所述二极管的阳极相接，构成所述IGBT的第二端。

4.根据权利要求1或2所述的三桥臂拓扑电路，其特征在于，所述第七开关管和第八开关管为金氧半场效晶体管MOSFET；

所述MOSFET包括一半导体开关和一二极管构成；所述半导体开关的源极和所述二极管的阴极相接，构成所述MOSFET的第一端；所述半导体开关的漏极和所述二极管的阳极相接，构成所述MOSFET的第二端。

5.根据权利要求1或2所述的三桥臂拓扑电路，其特征在于，所述第一开关和第二开关为单掷继电器、单向电子开关、或者晶闸管；

所述选择开关为双掷继电器、双向电子开关或者晶闸管。

6.一种不间断电源系统，其特征在于，所述系统包括：交流电源、如权利要求1至5任一项所述的三桥臂拓扑电路、以及输出负载；

其中，所述电路的正电压输入端通过第一开关接所述交流电源的正极，所述交流电源的负极接所述电路的负电压输入端；

所述输出负载接在所述第二电感和所述电路的负电压输入端之间。

7.一种三桥臂拓扑电路的控制方法，其特征在于，所述方法用于控制如权利要求2至6任一项所述的三桥臂拓扑电路，所述方法包括：

第一工作模式：控制第一开关闭合、第二开关断开、选择开关打到第一选择端；在第一阶段，控制第七开关管开通、第八开关管关断；在第二阶段，控制第七开关管关断，第八开关管开通；

第二工作模式：控制第一开关断开、第二开关闭合、选择开关打到第一选择端；在第一阶段，控制第七开关管关断、第八开关管开通；在第二阶段，控制第七开关管开通、第八开关管关断；

第三工作模式：控制第一开关闭合、第二开关断开、选择开关打到第二选择端；在第一阶段，控制第七开关管关断、第八开关管开通；在第二阶段，控制第七开关管开通、第八开关管关断；

第四工作模式：控制第一开关闭合、第二开关断开、选择开关打到第二选择端；在第一阶段，控制第七开关管开通、第八开关管关断；在第二阶段，控制第七开关管关断，第八开关管开通。