CN103956824B - 后备电源系统 - Google Patents

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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • H02J9/062—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems for AC powered loads

Abstract

本发明涉及后备电源系统。在一个实施例中，后备电源处理器单元(200)包括：第一AC输入线(313)；第一AC输出线和第二AC输出线(315、316)；中线(314)；第一DC电压母线和第二DC电压母线(311、312)；第一半桥电路、第二半桥电路、第三半桥电路(301、302、303)；以及一系列控制器(208)。本发明还涉及一种用于控制所述后备电源处理器单元(200)的方法。

Description

后备电源系统
本申请是申请日为2006年9月11日、发明名称为“后备电源系统”的专利申请200680052389.8的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种后备电源处理器单元，包括：第一AC输入线，其包括第一电感并且连接到AC电源；第一AC输出线，其包括第二电感并且连接到关键负载；第二AC输出线，其连接到所述关键负载；中线，其连接到中性端口；连接到DC电源的第一DC电压母线和第二DC电压母线；插在第一DC电压母线和第二DC电压母线之间的电容器；第一半桥电路，其包括第一开关和第二开关，其中所述第一开关连接在所述第一AC输入线和所述第一DC电压母线之间，而所述第二开关连接在所述第一AC输入线和所述第二DC电压母线之间；第二半桥电路，其包括第三开关和第四开关，其中所述第三开关连接在所述第一AC输出线和所述第一DC电压母线之间，而所述第四开关连接在所述第一AC输出线和所述第二DC电压母线之间；第三半桥电路，其包括第五开关和第六开关，其中所述第五开关连接在所述中线和所述第一DC电压母线之间，而所述第六开关连接在所述中线和所述第二DC电压母线之间。处理器还包括用于控制所述开关的一系列控制器，其中所述一系列控制器使用脉宽调制来控制至少所述第一开关到第四开关。本发明还涉及一种用于操作所述后备电源处理器的方法。
背景技术
后备电源处理器一般应用在电信产业中，以确保向诸如电信运营商的中心局等关键应用连续传送AC电能。
图1示出了现有技术的一般公知结构，该公知结构包括一系列变换器。在该结构中，第一变换器101是AC/DC变换器，它具有第一AC输入端和第一DC输出端。所述第一AC输入端包括第一AC输入线119和中线120。所述第一AC输入线119连接到单相AC电源，而所述中线120连接到中性端口。第二变换器102是DC/AC变换器，它具有第一DC输入端和第一AC输出端，所述第一AC输出端包括第一AC输出线121和第二中线122。所述第一AC输出线121连接到关键负载108，而所述第二中线122连接到中线。第三变换器103是DC/DC变换器，它具有第二DC输入端和第二DC输出端，所述第二DC输入端连接到DC电源。第四变换器104是另一个DC/DC变换器，它具有第三DC输入端和第三DC输出端。第一DC输出端连接到第三DC输入端，第三DC输出端连接到第二DC输入端，而第二DC输出端连接到第一DC输入端。
第二变换器102连接到第三变换器103，从而一起形成逆变器100b，而第一变换器101连接到第四变换器104，从而一起形成整流器100a。通常，将电池106用作DC电源，并因此将电池106连接在整流器100a的输出端和逆变器100b的输入端之间。开关单元105包括开关105a和105b以及用于控制这些开关的微控制器105c，预知所述开关单元105能够在电源处理器（由整流器100a和逆变器100b形成）的连接和线缆107的连接之间进行切换。这里，利用一个电阻来表示关键负载108。实际上，关键负载可以由多个并联连接到处理器的单元形成。
图1所示的这种已知结构的问题在于效率较低。从单相AC电源到关键负载，电流需要通过四个变换器和一个开关。通过该电路获得的效率一般在80％左右。当关键负载由DC电源供电时，电流需要通过两个变换器和一个开关，这产生了90％数量级的效率。
美国专利4,709,318公开了一种可替换结构，它只包括三个变换器，这三个变换器是第一变换器、第二变换器和第三变换器，其中第一变换器是具有第一AC输入端和第一DC输出端的AC/DC变换器，第二变换器是具有第一DC输入端和第一AC输出端的DC/AC变换器，以及第三变换器是具有第二DC输入端和第二DC输出端的DC/DC变换器。在现有技术的这种可替换结构中，第一AC输入端连接到AC电源，第一AC输出端连接到关键负载，第二DC输入端连接到DC电源，第一DC输出端和第二DC输出端两者连接到两条DC电压母线，它们又连接到第一DC输入端。利用这种结构，电流仅需要通过AC电源和关键负载之间的两个变换器。然而，在该公开中，第一变换器和第二变换器使得DC电压母线之间的电压比较高，即400VDC电压获得120V的RMSAC输出电压。这种高电压需要相应增加变换器的元件的尺寸，这增加了成本同时降低了效率和可靠性。
美国专利申请公开US2005/0162137A1公开了一种包括独立权利要求的前序部分的特征的后备电源处理器。具体而言，该后备电源处理器包括：三条AC相输入线，每条AC相输入线包括电感并且连接到三相AC电源；三条AC相输出线，每条AC相输出线包括另一个电感并且连接到关键负载；第一中线；连接到DC电源的第一DC电压母线和第二DC电压母线；插在第一DC电压母线和第二DC电压母线之间的电容器；以及对应于所述三条AC相输入线、三条AC相输出线和第一中线中的每一条的半桥电路。每个半桥电路包括一个连接在对应的AC相输入端、AC相输出端或中线与第一DC电压母线之间的开关和另一个连接在同一对应的AC相输入端、AC相输出端或中线与第二DC电压母线之间的开关。该结构还包括一系列控制器，其使用脉宽调制来控制所有开关。在操作上，使用脉宽调制来控制与三条AC相输入线相对应的半桥电路，从而利用三相AC输入在第一DC电压母线上产生几乎连续的正电压，并在第二DC电压母线上产生几乎连续的负电压。只控制与第一中线相对应的半桥电路来补偿在第一DC电压母线和第二DC电压母线上的较小电压波动，该半桥电路的两个开关仅闭合非常小百分比的时间并且采用短脉冲。因此，该结构中的第一中线仅作为“0”伏特轴工作。该设备的主要目的是产生零序列，以减小三相输出端上的谐波电压。这些结构和控制方法除了只适用于三相AC电源外，还需要第一DC电压母线和第二DC电压母线之间具有相当高的DC电压，即对于277V的输出线-中线电压，需要高达862V的DC电压。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种后备电源处理器和一种操作所述后备电源处理器的方法，该后备电源处理器适用于单相AC电源并且至少在利用单相AC电源向关键负载供电时，该后备电源处理器具有更高的效率，同时具有高利用率和高品质的电压供应，并且消除了与高DC电压有关的缺陷。
为此，后备电源处理器单元还包括第四半桥电路，该第四半桥电路包括第七开关和第八开关，其中所述第七开关连接在第二AC输出线和第一DC电压母线之间，而所述第八开关连接在第二AC输出线和第二DC电压母线之间，所述一系列控制器用于在VL,in的周期的第一半的至少50％的时间段t1内，优选在至少95％的时间段内打开第五开关并且闭合第六开关，以及还用于在VL,in的所述周期的第二半的至少50％的时间段t2内，优选在至少95％的时间段内闭合第五开关并打开第六开关。优选地，所述一系列控制器还用于在VL,out的周期的第一半的至少50％的时间段t1’内，优选在至少95％的时间段内打开第七开关并闭合第八开关，以及用于在VL,out的所述周期的第二半的至少50％的时间段t2’内，优选在至少95％的时间段内闭合第三开关并打开第四开关。该装置在第二AC输出线上产生电压VN,out，该电压VN,out与VL,out在周期上反相。结果，负载的两个连接之间的电压VLoad的幅值是VL,out与VN,out之和。利用AC电源，可以得到90％数量级的效率。另外，该电路具有较少的部件，从而与现有技术的电路相比，该电路得到了简化。另一个重大意义在于：它同时允许（无谐波的）正弦输入电流（这时输出端上的非线性关键负载由正弦电压供电）和非正弦电流（具有电流谐波）。这确保了同时对AC输入电压和AC输出电流进行谐波滤波。当在输入（AC电源）和（关键负载上的）输出之间出现小的相移并且在输入和输出之间出现小的电压差的情况下，它也能够正常运行。
可选地，中线直接连接到第二AC输出线，并且后备电源处理器还包括连接在中线和第三半桥电路之间的电感，所述一系列控制器用于在VL,in的周期的第一半的至少50％的时间段t1内，优选在至少95％的时间段内打开第五开关并且闭合第六开关，以及用于在VL,in的所述周期的第二半的至少50％的时间段t2内，优选在至少95％的时间段内闭合第五开关并打开第六开关。该第二实施例也产生了在周期上与VL,out反相的VN,out。尽管在这个更加简化的装置中它不能改变频率和VL,out相对于VL,in的相移，但是减少了部件的数量进一步增加了可靠性和效率，其中该效率可以达到95％左右。
有利地，分别在t1和t2之间的时间段t3和在t1’和t2’之间的时间段t3’内，对第五开关和第六开关和/或第七开关和第八开关进行脉宽调制，从而VN,out呈现了至少它的第一导数和第二导数的连续性。这提高了部件的寿命和输出清洁度。
优选地，所述一系列控制器包括一个控制器单元。与每个变换器的各个控制器相比，这允许更加有效、容易地管理能量流，而不需要添加额外的部件来管理各个控制器之间的通信。
优选地，后备电源处理器单元还包括连接到第一DC电压母线和第二DC电压母线的DC/DC变换器，该DC/DC变换器用于将所述第一DC电压母线和第二DC电压母线连接到所述DC电源上。这允许使用的DC电源具有的电压与两条DC电压母线之间的电压不同，通常低于两条DC电压母线之间的电压。
在特定的实施例中，DC/DC变换器是双向的。这使得可以将根据本发明的设备用作整流器，其中电流将从AC输入端流到DC电源，从而对其进行再充电。
有利地，第一开关、第二开关、第五开关和第六开关是功率双向的，并且所述一系列控制器用于使所述第一半桥电路反向运行，从而将两条DC电压母线之间的DC电压转换成第一AC输入线上的AC电压。这允许将根据本发明的设备用作从DC电源输入端提供能量到AC电源的装置。可以将沿该方向的电流流动运用在例如光电池应用中，其中当关键负载不使用该电池产生的能量时，将该电池所产生的能量反馈回AC电源。
如果第三开关、第四开关以及第七开关和第八开关（如果设置的话）是功率双向的，并且所述一系列控制器还使所述第二半桥电路反向运行，从而将第一AC输出线和第二AC输出线之间的AC电压转换成两条DC电压母线之间的DC电压，那么这是更有利的。这允许从关键负载回收能量，以将其返回到AC电源和/或DC电源，其原理可以应用到电梯系统中。
优选地，根据本发明的后备电源处理器包括多个并联连接的后备电源处理器单元，每个后备电源处理器单元包括根据前述任一项权利要求所述的第一变换器、第二变换器和第三变换器。这能够保证连续操作不会因一个单元故障而无法继续进行，并且不存在单点故障元件，例如图1的现有技术设备中的开关105a。
根据本发明的特定实施例的设备能够抑制下列两个负面效应，这两个负面效应同时出现并且存在于如图1所示的现有技术设备中。第一，当经过开关105b和线缆107供电时，可能会出现干扰，这是由于向关键负载提供了未经滤波的功率引起的。第二，当向关键的非线性负载供电时，在AC电源上产生谐波电流。这会导致由施加于AC电源上的谐波电流而引起的AC电源电压的品质恶化。
附图说明
通过对附图的说明，其它细节和优点将变得清楚。
图1示出了根据现有技术的后备电源处理器的典型结构；
图2示出了根据本发明的后备电源处理器单元的第一实施例；
图3示出了根据本发明的后备电源处理器单元的所述第一实施例的一部分；
图4示出了使用脉宽调制的电压转换；
图5示出了根据本发明的后备电源处理器单元的输出电压的实例；
图6示出了根据本发明的后备电源处理器单元的输出电压的另一个实例；
图7示出了根据本发明的后备电源处理器的第二实施例；
图8示出了根据本发明的后备电源处理器的所述第二实施例的一部分；以及
图9示出了根据本发明的后备电源处理器的另一实施例，它具有若干个并联的单元。
具体实施方式
在本发明的第一实施例中，如图2所示，电源处理器单元200包括第一变换器201，该第一变换器201包括连接到AC电源205的AC输入端。该变换器用于将例如ACRMS为230V的AC功率转换成例如350－400VDC的DC功率。该第一变换器的DC输出端连接到第二变换器202的DC输入端。第二变换器202用于将DC功率转换成例如230V的ACRMS的AC功率，然后将该AC功率提供给关键负载204。当需要从AC电源205提供功率时，使用由第一变换器和第二变换器形成的通路。
电源处理器单元200还用于从诸如电池等DC电源206接收功率，该DC电源206提供例如48VDC的DC功率。由于第二变换器的DC输入端通常具有相当高的电压，因此电源处理器单元200还将包括第三变换器203，该第三变换器203包括连接到DC电源206的DC输入端、以及DC输出端。第三变换器203优选是隔离的变换器（如双对角线所示），但是在某些应用中第三变换器203可以不被隔离。根据本发明并且如图2所示，这个DC输出端连接到第一变换器201的DC输出端和第二变换器的DC输入端。当需要从DC电源206提供功率时，使用由第三变换器和第二变换器形成的通路。
电容器207设置在第一变换器201的输出端和第二变换器202的输入端之间，并且起到能量存储单元的作用。微控制器或控制器208连接到三个变换器201、202和203中的每一个上，用于向每个变换器传送指令。微控制器还连接到通信输出端209。
图3更加详细地示出了根据本发明的所述第一实施例的电源处理器的第一变换器201和第二变换器202。第一变换器201包括第一半桥电路301和第三半桥电路303，这两个半桥电路都连接在第一DC电压母线311和第二DC电压母线312之间。第一半桥电路301包括第一开关301a和第二开关301b，所述第一开关301a连接在包括第一电感313i的AC输入线313与第一DC电压母线311之间，而所述第二开关301b连接在AC输入线313和第二DC电压母线312之间。第三半桥电路303包括第五开关303a和第六开关303b，所述第五开关303a连接在中线314和第一DC电压母线311之间，而所述第六开关303b连接在中线314和第二DC电压母线312之间。第二变换器202包括第二半桥电路302和第四半桥电路304，这两个半桥电路也连接在第一DC电压母线311和第二DC电压母线312之间。第二半桥电路302包括第三开关302a和第四开关302b，所述第三开关302a连接在包括电感315i的第一AC输出线315和第一DC电压母线311之间，而所述第四开关302b连接在第一AC输出线315和第二DC电压母线312之间。第四半桥电路304包括第七开关304a和第八开关304b，所述第七开关304a连接在第二AC输出线316和第一DC电压母线311之间，而所述第八开关304b连接在第二AC输出线316和第二DC电压母线312之间。然后，将DC/DC变换器203和电容器207连接到位于第一变换器201和第二变换器202之间的第一DC电压母线311和第二DC电压母线312。
为了将AC电源的基本为正弦的周期性电压转换成在第一DC电压母线311和第二DC电压母线312之间的连续电压，以及将所述连续电压转换回在第一AC输出线315和第二AC输出线316之间的周期性电压，微控制器208使用脉宽调制（PWM）来控制至少第一半桥电路301和第二半桥电路302的开关。脉宽调制使用方波，对该方波的工作周期（dutycycle）进行调制以使得波形的平均值产生变化。通过切换具有近似工作周期的电压，该输出将接近于具有适当电平的电压，如图4所示。第一电感和第二电感313i、315i和电容器207对开关噪声进行衰减。方波的工作周期远远短于输入AC电压或输出AC电压的正弦波的工作周期，方波的工作周期一般是微秒数量级（例如，20微秒），而典型50Hz的AC电压的工作周期是20ms。
当第一AC输入线313连接到单相AC电源时，在第一AC输入线313上建立了可变的周期性电压VL,in，VL,in大致为正弦波。该AC电压VL,in的频率是fL,in，因此周期时间是1/fL,in，幅值是VL,inPeak。VL,inPeak例如可以是325V，对应于230V的RMSAC电压VL,inRMS，而fL,in例如可以是50Hz。在VL,in的每个周期的第一半期间，控制器使第五开关303a打开，同时第六开关303b闭合，从而将第二DC电压母线312连接到中线314，并且对第一半桥电路301进行脉宽调制，以将第一AC输入线313上的可变正电压转换成在第一DC电压母线311上的连续电压+Vb。在VL,in的每个周期的第二半期间，控制器闭合第五开关303a，同时第六开关303b打开，从而将第一DC电压母线311连接到中线314，并且对第一半桥电路301进行脉宽调制，以将第一AC输入线313上的可变负电压转换成在第二DC电压母线312上的连续电压-Vb。结果，在第一DC电压母线311与第二DC电压母线312之间，产生基本连续的电压差2Vb。第一电感313i对第一开关和第二开关301a、301b的开关噪声进行滤波。
在第二半桥电路302中，第三开关302a和第四开关302b分别将第一DC电压母线311和第二DC电压母线312连接到第一AC输出线315，并且对第三开关302a和第四开关302b进行脉宽调制，从而在第一AC输出线上产生接近于正弦的周期性电压VL,out，频率是fL,out，幅值VL,outPeak接近于Vb，相对于VLin的相移是第二电感315i对第三开关和第四开关302a、302b的开关噪声进行滤波。
在本发明的后备电源处理器的第一实施例中，如图3所示，在VL,out的每个周期的第一半的至少一部分期间，第七开关304a打开，并且在第二半的至少一部分期间闭合。反之，在第一半的至少一部分期间，第八开关304b闭合，而在第二半的至少一部分期间第八开关304b打开。结果，在第二AC输出线316上产生反相的周期性电压VN,out。
图5示出了输出电压VL,out、VN,out和Vload（VN,out-VL,out）的一个周期。在第七开关304a打开而第八开关304b闭合的第一半周期的至少95%的时间段t1’期间，VN,out基本恒定并且等于-Vb。在第七开关304a闭合而第八开关304b打开的第二半周期的至少95%的时间段t2’期间，VN,out基本恒定并且等于+Vb。在t1’与t2’之间的过渡时间段t3’期间，优选对该第四半桥电路304进行脉宽调制，以确保-Vb和+Vb之间的平滑过渡，反之亦然。类似的过渡时间段还出现在t2’与t1’之间。理想地，VN,out的一阶导数和二阶导数都是连续的。时间段t1’和t2’中的每一个都可以是连续的，或者分别被分成第一半周期或第二半周期的若干段。它们还可以以VL,out的峰值为中心，如图所示，或者相反，它们相对于这些峰值超前或延迟，并且具有相同或不同的长度。
当VN,out与VL,out在周期上反相时，提供给关键负载的输出电压Vload（VN,out-VL,out）近似为VN,out的幅值的两倍，如图5所示。这允许利用第一DC电压母线311与第二DC电压母线312之间的相当中等的DC电压差2Vb来产生相当高的输出电压Vload。如果VN,out基本是方形或梯形的，那么优选采用第二半桥电路302的脉宽调制，使得VL,out具有经校正的正弦形状，其与VN,out结合产生更加接近于正弦的Vload（VN,out-VL,out），如图5所示。
取决于t1’和t2’的长度，-Vb和+Vb之间的VN,out的斜率变得或多或少显著，从而产生了更加方形或梯形的波形，这可以通过比较图5和图6看出，图6对应于可选的方案，其中t1’和t2’中的每一个都小于每个半周期的95％，但至少是每个半周期的75％。如果第二半桥电路302被脉宽调制而产生了正弦波形的VL,out，那么VN,out的这种大致方形或梯形的波形将导致Vload的波形失真。由于这个原因，控制第二半桥电路302，使得VL,out遵循经校正的正弦波，如图5和图6所示。尽管可以改为在整个周期内对第四半桥电路304进行脉宽调制，从而产生不会使VL,out失真的正弦VN,out，但是与仅在整个周期内对第二半桥电路302进行脉宽调制相比（作为代替，具有经校正的正弦波），它的能效相当低。t1’和t2’之间的过渡时间段越短，VL,out的波形的校正就会越大。另一方面，t1’和t2’之间的更短过渡时间段的优点在于：限制了第四半桥电路304的切换次数，相应的优点是效率更高、产生的无线干扰更低等。
特别有利的是使用该方法来控制第三半桥电路303和第四半桥电路304。然而，还可以仅利用该方式控制器它们中的一个。
图7和图8示出了本发明的后备电源处理器的简化的第二实施例。在该第二实施例中，使第二半桥电路302与第一半桥电路301同步，使得VL,out与VL,in具有基本相同的频率和相位，或者，甚至更精确而言，二者具有相同的频率和相位。由于第三半桥电路303被控制成使得在VL,in的周期的第一半期间中线314连接到第二DC电压母线312，并且因此在该实施例中，同样适用于VL,out，中线314在同一周期的第二半连接到第一DC电压母线311，作为代替，这允许省略第一实施例中的第四半桥电路304并且将第二AC输出线316直接连接到中线314。然而，在该实施例中，必须将第三阻抗314i插在中线314和第三半桥电路303之间，以便对第五开关303a和第六开关303b的开关噪声进行滤波。
如图7所示，这形成了一个具有电容器207的AC/DC/AC变换器701。
在该第二实施例中，同样以图5或图6所示的方式控制第三半桥电路303，其中分别在第一半周期的至少95％和至少75％的时间段t1内，打开第五开关303a而闭合第六开关303b，使得VN,out基本恒定并且等于-Vb。分别在第二半周期的至少95％和至少75％的时间段t2内，闭合第五开关303a而打开第六开关303b，使得VN,out基本恒定并且等于+Vb。在t1和t2之间的过渡时间段t3期间，优选对该第三半桥电路304进行脉宽调制，以确保-Vb和+Vb之间的平滑过渡，反之亦然。理想地，VN,out的一阶导数和二阶导数都是连续的。时间段t1和t2中的每一个都可以是连续的或者分别被分成第一半周期或第二半周期的若干段。它们还可以以VL,out的峰值为中心，如图所示，或者相反，它们相对于这些峰值超前或延迟，并且它们可以具有相同或不同的长度。
如图3和图8所示，保护装置305优选设置在第一DC电压母线311和第二DC电压母线312中之一上、DC电源206的相应连接210或211的上游上、以及电容器207的上游上。保护装置305特别包括保险丝，并且允许在第一半桥电路301断开时使用DC电源206并且可能使电容器207上的DC电压短路。
第一实施例和第二实施例两者中的DC/DC变换器203可以是双向的，这样允许将功率从DC电压母线311、312引导回DC电源206，例如对用作DC电源206的电池进行再充电。
第一实施例的第一变换器201和第二变换器202以及第二实施例的AC/DC/AC变换器701也可以是功率双向的，这允许从关键负载204和/或DC电源206回收电能。为此，形成这些第一变换器和第二变换器的半桥电路的开关自身必须是功率双向的，并且所述一系列控制器208必须能够使这些变换器201和/或202或203反向运行。特别地，半桥电路的开关可以是具有反并联二极管的IGBT开关。
图9示出了根据本发明的处理器的实施例，包括并联连接的多个处理器单元200a、200b、……、200i。处理器单元200a、200b、……、200i中的每一个都具有图2或图7所示的结构。通信总线300连接这些处理器单元的通信输出端209。因此，这些处理器单元的微控制器互连，以允许第一AC输出同步并且允许对单元之间的负载分配进行组织。单元之间的同步和负载分配的原理对于本领域技术人员而言是公知的，因此不需要对其详细描述。优选地，如图9所示，通信总线包括单元之间的双重连接，以在其中一个连接故障时提供冗余备份。替代线缆连接，还可以想到使用IR或HF技术的无线连接，特别是蓝牙技术。还可以想到一个连接是线缆，而另一个连接是无线连接。
如所应该意识到的那样，在不脱离所附权利要求的保护范围的前提下可以想到各种修改。例如，代替为每个处理器单元提供一个微控制器（如图2所示），可以想到为每个变换器201、202和203提供一个微控制器，并且在这些控制器之间具有通信装置。然而，每个处理器单元仅具有一个控制器是有利的，这是因为它不需要手段来确保同一处理器单元的控制器之间的正确通信。如附图所示出的，重要的是三个变换器在一个点汇集：电容器207处的DC母线。

Claims (14)

1.一种后备电源处理器单元(200)，包括：
a)第一AC输入线(313)，其包括第一电感(313i)并且连接到具有周期性电压VL,in的AC电源；
b)第一AC输出线(315)，其包括第二电感(315i)并且连接到关键负载(204)；
c)第二AC输出线(316)，其连接到所述关键负载(204)；
d)中线(314)，其连接到中性端口；
e)连接到DC电源(206)的第一DC电压母线和第二DC电压母线(311、312)；
f)直接插在所述第一DC电压母线和所述第二DC电压母线(311、312)之间的单个电容器(207)；
g)第一半桥电路(301)，其包括第一开关(301a)和第二开关(301b)，其中所述第一开关(301a)连接在所述第一AC输入线(313)和所述第一DC电压母线(311)之间，而所述第二开关(301b)连接在所述第一AC输入线(313)和所述第二DC电压母线(312)之间；
h)第二半桥电路(302)，其包括第三开关(302a)和第四开关(302b)，其中所述第三开关(302a)连接在所述第一AC输出线(315)和所述第一DC电压母线(311)之间，而所述第四开关(302b)连接在所述第一AC输出线(315)和所述第二DC电压母线(312)之间；
i)第三半桥电路(303)，其包括第五开关(303a)和第六开关(303b)，其中所述第五开关(303a)连接在所述中线(314)和所述第一DC电压母线(311)之间，而所述第六开关(303b)连接在所述中线(314)和所述第二DC电压母线(312)之间；
j)一系列控制器(208)，其用于控制所述开关(301a、……、303b)，其中所述一系列控制器(208)使用脉宽调制来控制至少所述第一开关到所述第四开关(301a、……、302b)，以将VL,in转换成所述第一DC电压母线和所述第二DC电压母线(311、312)上的两个不同的基本连续的电压+Vb、-Vb，并且将所述两个不同的基本连续的电压+Vb、-Vb转换成所述第一AC输出线(315)上的周期性电压VL,out；
并且其特征在于，它还包括：
k)连接在所述中线(314)与所述第五开关和所述第六开关(303a、303b)之间的第三电感(314i)；
其特征在于，所述第二AC输出线(316)直接连接到所述中线(314)；
其特征在于，所述一系列控制器(208)用于同步所述第一半桥电路和所述第二半桥电路(301、302)，使得VL,in和VL,out具有基本相同的相位和频率，并且
其特征在于，所述一系列控制器(208)还用于在VL,in的周期的第一半的至少50％的时间段t1内打开所述第五开关(303a)并闭合所述第六开关(303b)，以及还用于在VL,in的所述周期的第二半的至少50％的时间段t2内闭合所述第五开关(303a)并打开所述第六开关(303b)。
2.根据权利要求1所述的后备电源处理器单元(200)，其特征在于，所述一系列控制器(208)还用于在VL,in的周期的第一半的至少95％的时间段内打开所述第五开关(303a)并闭合所述第六开关(303b)，以及还用于在VL,in的所述周期的第二半的至少95％的时间段内闭合所述第五开关(303a)并打开所述第六开关(303b)。
3.根据权利要求1所述的后备电源处理器单元(200)，其特征在于，所述一系列控制器(208)还用于在t1和t2之间的过渡时间段t3内对所述第五开关(303a)和所述第六开关(303b)进行脉宽调制。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的后备电源处理器单元(200)，其特征在于，所述第三开关和所述第四开关(302a、302b)是双向的，并且所述一系列控制器(208)还用于使所述第二半桥电路(302)反向运行，从而将所述第一AC输出线和所述第二AC输出线(315、316)之间的AC电压转换成两条所述DC电压母线(311、312)之间的DC电压。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的后备电源处理器单元(200)，其特征在于，所述一系列控制器(208)包括一个控制器单元。
6.根据权利要求1到3中任一项所述的后备电源处理器单元(200)，还包括连接到所述第一DC电压母线和所述第二DC电压母线(311、312)的DC/DC变换器(203)，以将所述第一DC电压母线和所述第二DC电压母线(311、312)连接到所述DC电源(206)。
7.根据权利要求6所述的后备电源处理器单元(200)，其特征在于，所述DC/DC变换器(203)是双向的。
8.根据权利要求1到3中任一项所述的后备电源处理器单元(200)，其特征在于，所述第一开关、所述第二开关、所述第五开关和所述第六开关(301a、301b、303a、303b)是双向的，并且所述一系列控制器用于使所述第一半桥电路(301)反向运行，从而将两条所述DC电压母线(311、312)之间的DC电压转换成所述第一AC输入线(313)上的AC电压。
9.一种后备电源处理器系统，其包括多个根据前述任一项权利要求所述的后备电源处理器单元(200a、……200i)，并且这些后备电源处理器单元(200a、……200i)并联连接。
10.根据权利要求9所述的后备电源处理器系统，还包括通信装置，具体而言至少包括一个单元间通信总线(300)，其连接到每个后备电源处理器单元(200a、……、200i)的所述控制器。
11.一种用于控制后备电源处理器单元(200)的方法，所述后备电源处理器单元(200)包括：
a)第一AC输入线(313)，其包括第一电感(313i)并且连接到具有周期性电压VL,in的AC电源；
b)第一AC输出线(315)，其包括第二电感(315i)并且连接到关键负载(204)；
c)第二AC输出线(316)，其连接到所述关键负载(204)；
d)中线(314)，其连接到中性端口；
e)连接到DC电源(206)的第一DC电压母线和第二DC电压母线(311、312)；
f)直接插在所述第一DC电压母线和所述第二DC电压母线(311、312)之间的单个电容器(207)；
g)第一半桥电路(301)，其包括第一开关(301a)和第二开关(301b)，其中所述第一开关(301a)连接在所述第一AC输入线(313)和所述第一DC电压母线(311)之间，而所述第二开关(301b)连接在所述第一AC输入线(313)和所述第二DC电压母线(312)之间；
h)第二半桥电路(302)，其包括第三开关(302a)和第四开关(302b)，其中所述第三开关(302a)连接在所述第一AC输出线(315)和所述第一DC电压母线(311)之间，而所述第四开关(302b)连接在所述第一AC输出线(315)和所述第二DC电压母线(312)之间；
i)第三半桥电路(303)，其包括第五开关(303a)和第六开关(303b)，其中所述第五开关(303a)连接在所述中线(314)和所述第一DC电压母线(311)之间，而所述第六开关(303b)连接在所述中线(314)和所述第二DC电压母线(312)之间，所述第二AC输出线(316)直接连接到所述中线(314)，并且所述后备电源处理器单元还包括连接在所述中线(314)与所述第五开关和所述第六开关(303a、303b)之间的第三电感(314i)；
其特征在于，所述方法包括下列步骤：
j)对所述第一半桥电路(301)进行脉宽调制，以将VL,in转换成所述第一DC电压母线和所述第二DC电压母线(311、312)上的两个不同的基本连续的电压+Vb、-Vb，并且对所述第二半桥电路(302)进行脉宽调制，以将所述两个不同的基本连续的电压+Vb、-Vb转换成所述第一AC输出线(315)上的周期性电压VL,out；
并且其特征在于，它还包括下列步骤：
k)在VL,in的周期的第一半的至少50％的时间段t1内打开所述第五开关(303a)并闭合所述第六开关(303b)；以及
l)在VL,in的所述周期的第二半的至少50％的时间段t2内闭合所述第五开关(303a)并打开所述第六开关(303b)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在VL,in的周期的第一半的至少95％的时间段内打开所述第五开关(303a)并闭合所述第六开关(303b)；以及在VL,in的所述周期的第二半的至少95％的时间段内闭合所述第五开关(303a)并打开所述第六开关(303b)。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤：在t1和t2之间的过渡时间段t3内，对所述第五开关(303a)和所述第六开关(303b)进行脉宽调制。
14.根据权利要求11到13中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一半桥电路和第二半桥电路(301、302)被同步，使得VL,in和VL,out具有基本相同的相位和频率。
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