CN104158389B - 不间断电源中使用的功率变换电路及不间断电源 - Google Patents

不间断电源中使用的功率变换电路及不间断电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改进的功率变换电路和一种包含该功率变换电路的不间断电源。该功率变换电路包含至少一个变换器电路模块，每个变换器电路模块均包含第一和第二升压变换器，用于将来自AC电源和/或DC电源的DC电压变换至DC电源电压；至少一个逆变器电路模块，每个逆变器电路模块均包含三级逆变器电路，用于将DC电源电压变换至AC电压；和中间电路模块，用于将来自至少一个变换器电路模块的DC电源电压转送至至少一个逆变器电路模块。中间电路模块另外包括第一和第二降压变换器，用于将对应于由寄生电感引起的瞬态能量的电压降压变换至DC电源电压，并且用于将其提供至用于DC电源的输入端子。

Description

不间断电源中使用的功率变换电路及不间断电源
技术领域
本发明涉及一种在不间断电源内部用于连接AC电源和DC电源的功率变换电路，并且涉及一种包含该功率变换电路的不间断电源。
背景技术
不间断电源一般用于改善计算机硬件的可靠性。随着远程技术领域中使用的计算机硬件的增长，例如，工业设施、医疗设备和科学装置，对于不间断电源的需求稳定增长。在这方面，本发明着力于满足供不间断电源中使用的功率变换电路结构对于高柔性的需求。
工业、医疗和科学装置可能会依靠不同类型的AC电压，即单相AC电压或三相AC电压。此外，取决于装置中消耗的功率量，考虑到减小线损或考虑到设计依据，即减少传输电功率的导体材料，使用三相AC电压是合乎需要的。据此，不间断电源的设计不能受限于仅为不同类型AC电压当中的一种，使得柔性设计成为基础功率变换电路的需求。
进一步，提高DC电源的效率一直都是不间断电源开发中亟待解决的问题。然而，随着不间断电源的广泛使用，这种问题变得越来越重要。在这方面，本发明着力满足不间断电源中使用的功率变换电路对于高效率的需求。
特别地，作为DC电源的具有较小容量的可再充电电池的不间断电源严重依赖功率变换电路的充电能力和正常运行期间功率变换电路的开关效率。鉴于要减小不间断电源的整体外形尺寸和重量，较小容量的可再充电电池是有益的。据此，不间断电源的设计还必须考虑到不间断电源内部使用的功率变换电路的效率。
欧洲专利申请EP11004045.8(公开号为EP2525491A1)已经在减小变换器模块的开关损耗方面做出了贡献。特别地，该申请着力于运用用于功率模块的开关稳压器的不同拓扑结构中的寄生电感。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的目的是提出一种功率变换电路，该功率变换电路具有柔性设计，使得不间断电源中使用的功率变换电路可用于单相AC电压或三相AC电压。
本发明的进一步的目的是提出一种具有改进的效率的不间断电源中使用的功率变换电路，即其增强了将对DC电源的能量反馈。
上述目的当中的至少一个通过独立权利要求的主题得以解决。有益的实施例隶属于从属权利要求。
根据本发明的第一方面，提出一种不间断电源中使用的功率变换电路。功率变换电路包括三种不同类型的模块，变换器电路模块、中间电路模块和逆变器电路模块。
变换器电路模块被配置用来接收来自AC电源的AC电压，并且用来接收来自DC电源的DC电压。两个电压当中的至少一个的正的和负的部分被升压变换至第一和第二DC电源电压。
中间电路模块被配置用来将来自变换器电路模块的DC电源电压推送至逆变器电路模块。此外，中间电路模块包括用于降压变换并且为DC电源提供电压的变换器电路。
逆变器电路模块被配置用来接收来自变换器电路模块的第一和第二DC电源电压，变换器电路模块用于将相同的DC电源电压变换为AC电压，用来在相应输出端子处输出。
由于是以独立的模块来实现功率变换电路，因此变换器电路模块、中间电路模块和逆变器电路模块间的连接包括寄生电感。此外，这些寄生电感导致变换器电路模块和逆变器电路模块积累瞬态能量。
特别地，变换器电路模块和逆变器电路模块包括由二极管和电容器组成的串联电路，用于存储由相应的寄生电感产生的瞬态能量。
本发明的基础理念在于中间电路模块利用除了存储在串联电路的电容中的DC能量之外的该瞬态能量，用来降压变换至反馈能量并且反馈至DC电源。换句话说，中间电路模块包括第一和第二降压变换器，其利用存储在串联电路的电容器中对应于瞬态能量的电压，用于降压变换并且将其提供至DC电源输入端子。
从而，本发明的功率变换电路通过中间电路模块的第一和第二降压变换器利用瞬态能量反馈至DC电源提高了效率。
根据和本发明的第一方面一致的一个典型实施例，提出一种不间断电源中使用的功率变换电路。该功率变换电路包含至少一个变换器电路模块、中间电路模块、和至少一个逆变器电路模块。
至少一个变换器电路模块包含第一输入端子，用于连接AC电源的相端子；第二输入端子，用于连接AC电源的中性点端子；以及第三和第四输入端子，分别用于连接DC电源的正极和负极端子当中的一个；以及第一和第二升压变换器，用于分别将正的和负的电压当中的一个升压变换至具有预定的正的和负的电压电平当中的一个的恒定的第一和第二DC电源电压当中的一个。正的和负的电压经由第一输入端子作为AC电压的正的和负的部分当中的一个和/或经由第三和第四输入端子作为DC电压的正的和负的部分当中的一个被分别接收。
该至少一个变换器电路模块进一步包含连接至第一和第二升压变换器当中的一个的第一和第二输出端子，用于分别提供升压变换的第一和第二DC电源电压当中的一个；和第三输出端子，用于经由第二输入端子提供中性点电压。该至少一个变换器电路模块此外还包含每一个均由二极管和电容器组成的第一和第二串联电路，该第一和第二串联电路分别连接至第一和第二输出端子当中的一个，并且两者均连接至第三输出端子；其中第一和第二串联电路的中间节点分别连接至第四和第五输出端子当中的一个。
该至少一个逆变器电路模块包含每一个均由二极管和电容器组成的第三和第四串联电路，该第三和第四串联电路分别连接至第一和第二输入端子当中的一个，并且两者均连接至第三输入端子；其中第三和第四串联电路的中间节点分别连接至第四和第五输入端子当中的一个。该至少一个逆变器电路模块进一步包含连接至第一、第二和第三输入端子的三级逆变器电路，用于将相应的升压变换的第一和第二DC电源电压以及中性点电压变换至AC电压，并且用于将变换的AC电压输出至输出端子。
中间电路模块包含第一、第二、第三、第四和第五导体通路，用于将至少一个变换器电路模块的第一、第二、第三、第四和第五输出端子当中的一个分别连接至该至少一个逆变器电路模块的第一、第二、第三、第四和第五输入端子当中的一个。该中间电路模块进一步包含分别连接至第一和第二导体通路当中的一个并且均连接至第三导体通路的第一和第二存储电容器。
至少一个变换器电路模块、中间电路模块和至少一个逆变器电路模块之间的连接当中的每一个均包括寄生电感。进一步地，配置第一、第二、第三和第四串联电路，使得其中的电容器当中的每一个均在电容器中临时存储对应于相应的升压变换的第一和第二DC电源电压的DC能量，并且在电容器中临时存储由相应的寄生电感产生的瞬态能量。
此外，中间电路模块进一步包含连接至第四和第五导体通路当中的一个的第一和第二降压变换器，用于将与临时存储在第一、第二、第三和第四串联电路当中的电容器当中的一个的瞬态能量相对应的电压分别降压变换至具有预定正的和负的电压电平的第一和第二DC电源电压当中的一个，并且连接至至少一个变换器电路模块的第三和第四输入端子当中的一个，用于将第一和第二DC电源电压当中的一个分别提供至DC电源。
根据更加详细的实施例，功率变换电路的第一和第二降压变换器进一步经由第一和第二二极管分别连接至第一和第二导体通路当中的一个，用于将第一和第二DC电源电压当中的一个提供至第一和第二存储电容器当中的一个。
根据另一个更加详细的实施例，功率变换电路的第一和第二降压变换器经由第一和第二开关元件当中的一个分别连接至至少一个变换器电路模块的第三和第四输入端子当中的一个，用于激活/停止将第一和第二DC电源电压当中的一个提供至DC电源。
根据进一步更加详细的实施例，功率变换电路的第一和第二开关被配置用来将第一和第二降压变换器当中的任一个分别连接至第三和第四输入端子当中的一个或第一和第二导体通路当中的一个。
根据又一个更加详细的实施例，变换器电路模块的第三和第四输入端子经由第三和第四开关元件当中的一个分别连接至第一和第二升压变换器当中的一个。
根据更加详细的实施例，第一至第四开关元件当中的每一个均以电磁继电器的形式或包括可控硅整流器、SCR、晶闸管、MOSFET、和IGBT当中一种的半导体开关元件的形式来实现。
根据另一个更加详细的实施例，功率变换电路的三级逆变器电路包括：连接至第一输入端子并且连接至逆变器电路模块的输出端子的正电压开关元件，用于在输出端子处提供正电压；连接至第二输入端子并且连接至逆变器电路模块的输出端子的负电压开关元件，用于在输出端子处提供负电压；以及耦接在逆变器电路模块的第三输入端子与输出端子之间的中性点开关电路，用于在输出端子处提供中性点电压。
根据进一步的更加详细的实施例，功率变换电路包含三个变换器电路模块，其中：三个变换器电路模块当中的每一个的第一输入端子均用于连接三相AC电源的不同相端子；三个变换器电路当中的每一个的第二输入端子均用于连接三相AC电源的中性点端子；三个变换器电路模块当中的每一个的第三和第四输入端子均用于分别连接DC电源的正的和负的端子当中的一个；以及三个变换器电路模块当中的每一个的第一、第二、第三、第四和第五输出端子均分别连接中间电路模块的第一、第二、第三、第四和第五导体通路。
功率变换电路进一步包含三个逆变器电路模块，其中，逆变器电路模块当中的每一个的第一、第二、第三、第四和第五输入端子分别连接中间电路模块的第一、第二、第三、第四和第五导体通路；并且逆变器电路模块当中的每一个的三级逆变器电路被配置用于将相应的升压变换的第一和第二DC电源电压和中性点电压分别变换至三个不同相AC电压当中的一个；并且用于将三个不同相AC电压当中的变换的一个输出至逆变器电路模块当中的每一个的相应的输出端子。
根据与本发明的第一方面一致的另一个示例性实施例，一种不间断的电源，包含：根据前述实施例当中的一个的功率变换电路，和DC电源；其中DC电源的正极和负极端子分别连接至少一个变换器电路模块当中的每一个的第三和第四输入端子。
根据更加详细的实施例，不间断电源的DC电源以可再充电的电池的形式来实现。
附图说明
附图并入本说明书并且构成说明书的一部分，用来展示本发明的多个实施例。这些附图，连同文字描述一起，用来阐释本发明的原理。这些附图仅是用于展示本发明如何制作和使用的优选的和可替代的实施例的目的，而不应理解为将本发明仅限定在示出的和描述的实施例内。
此外，实施例的多个方面可以独立地或以不同的组合的构成根据本发明的解决方案。如在附图中所展示的，从下文本发明的各种不同的实施例的更加具体的描述中，进一步的特征和有益效果将变得显而易见，其中相似的附图标记指代相似的元件，并且其中：
图1示出了根据第一实施例的不间断电源中使用的功率变换电路1000的示意电路图；
图2示出了根据第一实施例的不间断电源中使用的功率变换电路1000的电路图；
图3示出了根据第二实施例的不间断电源中使用的功率变换电路2000的电路图；
图4示出了根据第三实施例的不间断电源中使用的功率变换电路3000的电路图。
具体实施方式
现在参照图1，示出了根据第一实施例的不间断电源UPS中使用的功率变换电路1000的示意电路图。第一实施例的功率变换电路1000包括三个模块，即变换器电路模块1100、中间电路模块1200和逆变器电路模块1300。三个模块经由相应的输入/输出端子彼此连接并且结合在一起在不间断电源内部运行期间为最小化开关损耗提供便利。
出于完整性的考虑，功率变换电路1000的示意电路图与DC电源400一起示出，该DC电源400可以，例如，以电池、电解电容器、或任意其它DC储存装置的形式实现。然而，应当强调，DC电源400并不是功率变换电路1000的一部分。
如从下文中将变得显而易见的那样，采用最小化额外的电路的数量来实现最小化开关损耗的有益效果。特别地，中间电路模块1200的降压变换器1210和1220被配置用来允许将DC能量(即，有功能量)传送至DC电源400，并且允许将由寄生电感产生的瞬态能量(即，无功能量)再生，用于提高功率变换电路1000的整体效率。
变换器电路模块1100被配置用于连接AC电源和DC电源400。更详细地，变换器电路模块1100经由第一输入端子1101接收单相AC电压，经由第二输入端子1102接收中性点电压(即，地电位电压)，并且经由第三和第四输入端子1103和1104接收DC电压(即，正极和负极电压)。
据此，第一和第二输入端子1101和1102适合于连接AC电源，并且第三和第四输入端子1103和1104被配置用来连接DC电源400。
此外，变换器电路模块1100包含为所属领域的技术人员广泛熟知的第一和第二升压变换器1110和1120。第一升压变换器1110被配置用于将正的电压升压变换至具有预定正的电压电平的恒定DC电源电压，该正的电压是以单相AC电压的正的部分(即，AC电压的正的半波)的形式来提供和/或以DC电压的正的部分的形式来提供。相似地，第二升压变换器1120被配置用来将负的电压升压变换至具有预定负的电压电平的恒定DC电源电压，该负的电压以单相AC电压的负的部分(即，AC电压的负的半波)的形式来提供和/或以DC电压的负的部分的形式来提供。从而，第一和第二升压变换器1110和1120被配置用来同时地/交替地基于AC电压和/或DC电压运行。
例如，甚至当提供至变换器电路模块1100的AC电压中断时，第一和第二升压变换器1110和1120持续升压变换正的和负的电压当中相应的一个，即仅基于由DC电源提供的电压的相应的正的和负的部分，而非基于由AC电源提供的单相AC电压的相应的正的和负的部分。
同样例如，当提供至变换器电路模块1100的AC电压的峰值电压电平变得小于额定的峰值电压电平时，第一和第二升压变换器1110和1120持续升压变换正的和负的电压当中相应的一个，即基于由DC电源提供的电压的相应的正的和负的部分以及由AC电源提供的单相AC电压的相应的正的和负的部分。
根据功率变换电路1000的更加详细的实例，变换器电路模块1100另外包括第一和第二开关元件S1110和S1120，其分别布置在第三和第四输入端子1103和1104当中的一个与第一和第二升压变换器1110和1120当中的一个的输入当中的一个之间。在这方面，第一和第二开关元件S1110和S1120能够基于DC电源400分别控制正的和负的电压的供应。
在该更详细的实例的优选实现中，变换器电路模块1100的第一和第二开关元件S1110和S1120以第一和第二晶闸管的形式实现。特别地，为使电流从晶闸管的阳极流向阴极，必须将初始触发电流提供至晶闸管的栅极。此后，只要该晶闸管被正向偏置(即，跨过晶闸管的阳极和阴极的正的电压)，晶闸管便持续导通。从而，晶闸管免除了对于恒定保持电流的需求。由于AC电压的中断被假定为持续相当长的时间并且是基于不常见的要素发生的，因此晶闸管的这种性能对于变换器电路模块1110是有益的。
进一步地，变换器电路模块1100的第一和第二升压变换器1110和1120被配置用来将升压变换的正的和负的恒定DC电源电压当中的一个分别提供至第一和第二输出端子1105和1106当中的一个。变换器电路模块1100的第三输出端子1107被提供有经由第二输入端子1102接收的中性点电压。
变换器电路模块1100的第一、第二和第三输出端子1105、1106和1107能够将模块1100连接至另一个电路模块，即中间电路模块1200。
以独立的功率模块的形式实现变换器电路模块1100、中间电路模块1200和逆变器电路模块1300用以顾及柔性配置已经被证明了是有益的，即再利用关于第一实施例所描述的单相功率变换电路中的以及关于第三实施例所描述的三相功率变换电路中的相同的变换器电路模块1100和相同的逆变器电路模块1300。
另外，鉴于热量控制，变换器电路模块1100和逆变器电路模块1300的独立的模块设计也是有益的。此外，变换器电路模块1100和逆变器电路模块1300的实质散热量需要在功率变换电路内部谨慎地进行热设计以及布局。在这方面，可针对独立的变换器电路模块1100、中间电路模块1200和逆变器电路模块1300采取不同的热防范措施。
然而，由于功率变换电路的独立模块的设计，变换器电路模块1100电连接至中间电路模块1200，并且中间电路模块1200电连接至逆变器电路模块1300。独立的模块之间的连接充当寄生电感，该寄生电感在附图中以标为L寄生“寄生电感器”来标明。
然而，图中标明的“寄生电感器”应当仅暗指功率变换电路中的寄生电感。换句话说，功率变换电路原理电路图中的“寄生电感器”并不对应具有固定位置的电气部件(即，电感器)，而是由各种不同的因素产生的，并且可以假定其是功率变换电路独立模块间连接所固有的。
为升压变换正的或负的电压，功率变换电路1000的第一和第二升压变换器1110和1120当中的每一个均包括开关元件，用于沿相应的第一和第二输出端子1105和1106的方向交替地驱动或不驱动电流。由第一和第二升压变换器1110和1120驱动的电流在相应的第一和第二输出端子1105和1106处被寄生电感逆影响。
特别地，电感抵抗电流的突变，并且因此相对于电压延迟电流。这对寄生电感也是适用的。据此，在相应的第一和第二输出端子1105和1106处寄生电感逆影响电流驱动第一和第二升压变换器1110和1120的能力，特别地，相应的第一和第二升压变换器1110和1120中的开关元件的关断性能。
更详细地，当第一和第二升压变换器1110和1120的开关元件被控制切换至关断状态时，相应的第一和第二升压变换器1110和1120开始沿第一和第二输出端子1105和1106当中的一个的方向驱动电流。然而，相应的第一和第二输出端子1105和1106处的寄生电感抵抗由第一和第二升压变换器1110和1120驱动的电流的突变，并且因此相对于电压延迟电流。
由于第一和第二输出端子1105和1106处的寄生电感相对于电压延迟了由相应的第一和第二升压变换器1110和1120驱动的电流，因此寄生电感引起了瞬态能量的产生，其一般妨碍相应的升压变换器1110和1120中的高速切换速度或在相应的第一或第二升压变换器1110和1120的开关元件处导致高开关损耗。
为了再生由寄生电感产生的瞬态能量，变换器电路模块1100包括第一和第二串联电路1130和1140，每一个均由二极管D1130/D1140和电容器C1130/C1140组成。第一和第二串联电路1130和1140被配置用来允许在第一和第二串联电路1130和1140当中的一个的相应的电容器C1130/C1140中分别临时存储由第一和第二输出端子1105和1106之一处的寄生电感产生的瞬态能量。
第一串联电路1130连接至第一输出端子1105并且连接至第三输出端子1107。第二串联电路1140连接至第二输出端子1106并且连接至第三输出端子1107。
在变换器电路模块1100的更加详细的实例中，第一和第二升压变换器1110和1120当中的一个与在第一、第二或第三输出端子1105、1106和1107处的第一和第二串联电路1130和1140当中的一个之间的相应的连接以低电感的形式来实现。出于这个目的，第一和第二升压变换器1110和1120与相应的第一和第二串联电路1130和1140之间的连接线可以采用不同的尺寸(例如，更宽的横截面)和/或不同的材料(例如，更高的电导率)来实现。
第一串联电路1130的二极管D1130的阳极连接第一输出端子1105并且其阴极连接到第一串联电路1130的中间节点N1130。第二串联电路1140的二极管D1140的阴极连接到第二输出端子1106并且其阳极连接到第二串联电路1140的中间节点N1140。
据此，当第一和第二升压变换器1110和1120开始沿第一和第二输出端子1105和1106的方向驱动电流时，相应的第一和第二输出端子1105和1106处的寄生电感引起瞬态能量的产生。
然后，第一和第二串联电路1130和1140的电容器除了存储对应由第一和第二升压变换器1110和1120提供的相应的预定第一和第二DC电源电压的DC能量之外，临时存储由在第一或第二输出端子1105和1106处的寄生电感产生的瞬态能量。
更详细地，中间电路模块1200的第一和第二存储电容器1231和1232并联连接至相应的第一和第二串联电路1130和1140。从而，第一和第二串联电路1130和1140的相应电容器存储对应由第一和第二升压变换器1110和1120升压变换的相应的预定第一和第二DC电源电压的能量。
在这方面，第一和第二串联电路1130和1140的电容器两端的电压电平至少等于由第一和第二升压变换器1110和1120提供的相应的预定正的和负的电压电平。此外，第一和第二串联电路1130和1140的电容器临时存储由寄生电感产生的相应的瞬态能量，使得相应的电容器两端的电压电平变得实质上高于相应的预定正的和负的电压电平。
为了再生临时存储在第一和第二串联电路1130和1140的电容器当中的瞬态能量，第一和第二串联电路1130和1140的中间节点N1130和N1140分别连接至第四和第五输出端子1108和1109当中的一个。
中间电路模块1200被配置用来连接变换器电路模块1100，即变换器电路模块1100的第一至第五输出端子1105-1109。出于这个目的，中间电路模块1200包括分别连接至变换器电路模块1100的第一至第五输出端子1105-1109当中的一个的第一至第五输入端子1201′-1205′。
更详细地，中间电路模块1200的第一至第五输入端子1201′-1205′分别并入(即，通向)第一至第五导体通路1201-1205当中的一个，使得第一至第五导体通路1201-1205当中的一个电连接至变换器电路模块1100的第一至第五输出端子1105-1109当中的一个。
进一步地，中间电路模块1200的第一至第五导体通路1201-1205分别并入(即，终结于)第一至第五输出端子1201″-1205″当中的一个，用于连接逆变器电路模块1300。
经由第一和第二输入端子1201′-1205′当中相应的一个将由变换器电路模块1100提供的升压变换的第一和第二恒定的DC电源电压提供给中间电路模块1200的第一和第二导体通路1201和1202。同时，经由相应的第三输入端子1203′将由变换器电路模块1100提供的中性点电压提供给中间电路模块1200的第三导体通路1203。
为存储由变换器电路模块1200提供的升压变换的第一和第二恒定的DC电源电压，中间电路模块1200包括第一和第二存储电容器1231和1232，其分别连接至第一和第二导体通路1201和1202当中的一个并且两者均连接至第三导体通路1203。
此外，经由相应的第四和第五输入端子1204′和1205′将对应于临时存储在变换器电路模块1100的相应的第一和第二串联电路1130和1140的电容器的能量的电压和对应于临时存储在逆变器电路模块1300的相应的第三和第四串联电路1310和1320的电容器的能量的电压提供给中间电路模块1200的第四和第五导体通路1204和1205，如在下文中更加详细阐释的。
由于由变换器电路模块1100的第一和第二输出端子1101和1102处的寄生电感产生的瞬态能量，经相应的第四和第五导体通路1204和1205提供的电压电平至少等于由第一和第二升压变换器1110和1120提供的并且经由中间电路模块1200的第一和第二导体通路1201和1202提供的第一和第二DC电源电压的相应的预定正的和负的电压电平。
换句话说，由于由寄生电感产生的瞬态能量，变换器电路模块1100的第一和第二串联电路1130和1140的电容器临时存储总计达到等于或高于中间电路模块1200的存储电容器1231和1232两端电压电平的电压电平的能量。
相似地，由于由寄生电感产生的瞬态能量，逆变器电路模块1300的第三和第四串联电路1310和1320的电容器临时存储总计达到等于或高于中间电路模块1200的存储电容器1231和1232两端电压电平的电压电平的能量。
进一步地，当中间电路1200经由第四和第五导体通路1204和1205当中相应的一个，第一和第二串联电路1130和1140当中的一个的电容器以及第三和第四串联电路1310和1320当中的一个的电容器放电时，第一、第二、第三和第四串联电路1130、1140、1310和1320的相应的二极管使得第一和第二存储电容器1231和1232与各自其中的电容器之间的第一和第二导体通路1201和1202位势均衡。
在这方面，电流可以从中间电路模块1200的第一存储电容器1231流至变换器电路模块1100和逆变器电路模块1300的第一和第三串联电路1130和1310的电容器，使得第一存储电容器1231两端的电压电平对应第一和第三串联电路1130和1310的电容器两端的电压电平。
相似地，电流可以从中间电路模块1200的第二存储电容器1232流至变换器电路模块1100和逆变器电路模块1300的第二和第四串联电路1140和1320的电容器，使得第二存储电容器1232两端的电压电平对应第一和第三串联电路1140和1320的电容器两端的电压电平。
逆变器电路模块1300被配置用来连接至中间电路模块1200，即中间电路模块1200的第一至第五输出端子1201″-1205″。出于这个目的，三级逆变器电路包括分别连接至中间电路模块1200的第一至第五输出端子1201″-1205″当中的一个的第一至第五输入端子1301-1305。逆变器电路模块1300与中间电路模块1200之间的连接还充当寄生电感。
据此，经由中间电路模块1200的相应第一和第二导体通路1201和1202，由变换器电路模块1100提供的升压变换的第一和第二恒定DC电源电压被提供给第一和第二输入端子1301和1302。同时，经由第三导体通路1203，变换器电路模块1100提供的中性点电压被提供给第三输入端子1303。
进一步地，逆变器电路模块1300包括所属领域技术人员众所周知的用于提供AC电压的三级逆变器电路1330。该三级逆变器电路1330被配置用来将经由第一、第二和第三输入端子1301、1302和1303提供的三个电压电平变换至AC电压。该变换的AC电压由逆变器电路模块1300的输出端子1306输出。
为将三个电压电平变换至AC电压，三级逆变器电路1330包括开关元件，用于交替地驱动和不驱动来自第一、第二和第三输入端子1301、1302和1303沿输出端子1306方向的电流。特别地，由于相应的第一和第二输入端子1301和1302处的寄生电感，三级逆变器电路1330的开关元件的开关性能被逆影响。
更详细地，当三级逆变器电路1330的开关元件被控制切换至关断状态，并且电流停止经由第一和第二输入端子1301和1302流至三级逆变器电路1330时，寄生电感将释放包含在寄生电感磁场内的能量。寄生电感迫使电流沿三级逆变器电路1330的方向流动，即三级逆变器电路1330的开关元件的方向，并且因此引起瞬态能量的产生，其一般妨碍开关元件即时的关断。
为了再生由寄生电感产生的瞬态能量，逆变器电路模块1300另外包括第三和第四串联电路1310和1320，每一个均由二极管D1310/D1320和电容器C1310/1320组成。第三和第四串联电路1310和1320被配置用来允许在第三和第四串联电路1310和1320当中的一个的相应的电容器C1310/C1320中分别临时存储第一和第二输入端子1301和1302当中的一个处由寄生电感产生的瞬态能量。
第三串联电路1310连接至第一输入端子1301并且连接至第三输入端子1303。第二串联电路1320连接至第二输出端子1302并且连接至第三输出端子1303。
特别地，第三串联电路1310的二极管D1310的阳极连接至第一输入端子1310并且其阴极连接至第三串联电路1310的中间节点N1310。第四串联电路1320的二极管D1320的阴极连接至第二输入端子1302并且其阳极连接至第四串联电路1320的中间节点N1320。
据此，当三级逆变器电路1330的开关元件切换至关断，并且电流停止经由第一和第二输入端子1301和1302当中的一个流至三级逆变器电路1330时，第一和第二输入端子1301和1302处的寄生电感引起瞬态能量的产生，即寄生电感引导(即，迫使)电流沿三级逆变器电路1330的方向流动。
然后，第三和第四串联电路1310和1320的电容器除了存储对应由第一和第二升压变换器1110和1120提供的相应的预定第一和第二DC电源电压的DC能量之外，临时存储由第一或第二输入端子1301和1302处的寄生电感产生的瞬态能量。
更具体地，中间电路模块1200的第一和第二存储电容器1231和1232并联连接至相应的第三和第四串联电路1310和1320。从而，第三和第四串联电路1310和1320的相应的电容器存储对应由第一和第二升压变换器1110和1120升压变换的相应的预定第一和第二DC电源电压的DC能量。
在这方面，第三和第四串联电路1310和1320的电容器两端的电压电平至少等于由第一和第二升压变换器1110和1120提供的相应的预定正的和负的电压电平。另外，第三和第四串联电路1310和1320的电容器临时存储由寄生电感产生的相应的瞬态能量使得相应的电容器两端的电压电平变得实质上高于相应的预定正的和负的电压电平。
为再生由寄生电感产生的瞬态能量，第三和第四串联电路1310和1320的中间节点N1310和N1320分别连接至第四和第五输入端子1304和1305当中的一个。据此，逆变器电路模块1300的第三和第四串联电路1310和1320的中间节点N1310和N1320经由中间电路模块1200的第四和第五导体通路1204和1205当中的一个分别连接至中间节点N1130和N1140当中的一个。
除了之前所说的，中间电路模块1200进一步包括第一和第二降压变换器1210和1220。第一和第二降压变换器1210和1220两者均被配置用于两个功能，即，第一，将能量反馈至DC电源，以及第二，将能量反馈至相应的存储电容器C1231和C1232。
关于第一功能，第一和第二降压变换器1210和1220允许再生能量，尤其是由寄生电感产生的瞬态能量，用于为作为DC电源连接的电池充电。功率变换电路1000允许连接AC电源和DC电源，用于在输出端提供AC电压。假定AC电源供电中断，DC电源可用于在输出端提供AC电压。在该中断之后，第一和第二降压变换器1210和1220使能量反馈至输入端子1103和1104，用于为DC电源充电。
关于第二功能，第一和第二降压变换器1210和1220允许再生能量，尤其是由寄生电感产生的瞬态能量，用于为相应的存储电容器C1231和C1232充电。第一至第四串联电路1130、1140、1310和1320的电容器另外允许临时存储DC能量和瞬态能量。因此，相应的电容器C1130、C1140、C1310和C1320两端的电压电平至少等于DC电源电压的相应的预定正的和负的电压电平。第一和第二降压变换器1210和1220允许将瞬态能量反馈至第一和第二存储电容器1231和1232用于提高开关效率。
尤其是，寄生电感是独立模块间互联固有的并且导致的瞬态能量因此是不可避免的开关损耗。第一至第四串联电路1130、1140、1310和1320的电容器允许存储瞬态能量，并且其中的二极管防止相应的电容器放电，即，防止漏电流从相应的电容器放电瞬态能量。通过第一和第二降压变换器1210和1220将瞬态能量反馈至第一和第二存储电容器1231和1232，提高了功率变换电路1000的整体效率。
更详细地，第一降压变换器1210被配置用来将临时存储在变换器电路模块1100的第一串联电路1130的电容器C1130中的以及存储在逆变器电路模块1300的第三串联电路1310的电容器C1310当中的能量降压变换至具有预定的第一电压电平的正的DC电源电压。
存储在电容器C1130和C1310中的能量可以是对应于来自第一升压变换器1110的第一DC电源电压的DC能量或由第一输出端子1105和/或第一输入端子1301处的寄生电感产生的瞬态能量。
相似地，第二降压变换器1220被配置用来将临时存储在变换器电路模块1100的第二串联电路1140的电容器C1140和/或存储在逆变器电路模块1300的第四串联电路1320的电容器C1320中的能量降压变换至具有预定的第二电压电平的负的DC电源电压。
存储在电容器C1140和C1320中的能量可以是对应来自第二升压变换器1120的第二DC电源电压的DC能量，或者可以是由第二输出端子1106和/或第二输入端子1302处的寄生电感产生的瞬态能量。
出于这个目的，第一和第二降压变换器1210和1220分别连接至第四和第五导体通路1204和1205当中的一个，用来接收对应临时存储在第一串联电路1130的电容器C1130和第三串联电路1310的电容器C1310中或第二串联电路1140的电容器C1140和第四串联电路1320的电容器C1320中的能量的电压电平。
换句话说，第一降压变换器1210经由第四导体通路1204连接至变换器电路模块1100的第一串联电路1130的中间节点N1130和电容器C1130，并连接至逆变器电路模块1300的第三串联电路1310的中间节点N1310和电容器C1310，并且第二降压变换器1220经由第五导体通路1205连接至变换器电路模块1100的第二串联电路1140的中间节点N1140和电容器C1140，并连接至逆变器电路模块1300的第四串联电路1340的中间节点N1320和电容器C1320。
此外，对于参考电势，第一和第二降压变换器1210和1220两者均连接至具有中性点电压的第三导体通路1203。
进一步地，第一和第二降压变换器1210和1220分别连接至变换器电路模块1100的第三和第四输入端子1103和1104。据此，第一和第二降压变换器1210和1220允许将从对应瞬态能量的电压降压变换的正的和负的DC电源电压当中的一个提供至DC电源400。由此，第一和第二降压变换器1210和1220实现了上述的第一功能。
根据功率变换电路1000的更加详细的实例，第一和第二降压变换器1210和1220进一步经由第一和第二二极管D1210和D1220当中的一个分别连接至第一和第二导体通路1201和1202当中的一个。据此，第一和第二降压变换器1210和1220允许将第一和第二DC电源电压当中的一个提供至第一和第二存储电容器1231和1232当中的一个。由此，第一和第二降压变换器1210和1220实现了上述第二功能。
对于另一个更加详细的实例，第一和第二降压变换器1210和1220经由第一和第二开关元件S1210和S1220分别连接至至少一个变换器电路模块1100的第一和第二降压变换器1210和1220当中的一个，用于激活/停用将第一和第二DC电源电压当中的一个提供至DC电源400。
在引入二极管D1210和D1220的更加详细的实例与引入开关S1210和S1220的实例的组合的情况下，第一和第二降压变换器1210和1220可以交替将DC电源电压提供至DC电源400和存储电容器。
更详细地，当第一和第二开关元件S1210和S1220当中相应的一个处于导通状态时，第一和第二降压变换器1210和1220允许将降压变换的第一和第二DC电源电压的一个反馈至变换器电路模块1100的第三和第四输入端子1103和1104当中的一个，并且当第一和第二开关S1210和S1220当中的相应的一个处于关断状态时，允许将降压变换的第一和第二DC电源电压当中的一个反馈至第一或第二存储电容器1231和1232当中的一个。
在更加详细的实例的有益的实现中，第一和第二开关元件S1210和S1220分别与第一和第二降压变换器1210和1220当中的一个互连，并且第一和第二降压变换器1210和1220当中的一个以电磁继电器的形式或包括可控硅整流器、SCR、晶闸管、MOSFET、和IGBT当中的一个的半导体开关元件的形式来实现。
现在参照图2，示出了根据第一实施例的功率变换电路1000的电路图。图2的功率变换电路1000对应图1中所示的功率变换电路，并且另外示出了第一和第二升压变换器1110和1120、三级逆变器电路1330以及第一和第二降压变换器1210和1220的典型的实现。
图2中所示的第一和第二升压变换器1110和1120以及第一和第二降压变换器1210和1220实现图1描述的功能，使得其中重复性的描述被省略。图2的三级逆变器电路1330也能实现图1描述的功能。
三级逆变器电路1330还能实现图1描述的功能。特别地，图2中示出的三级逆变器电路1330包括正的电压开关元件1331、负的电压开关元件1332和中性点开关元件1333。
正的电压开关元件1331连接至逆变器电路模块1300的第一输入端子1301和输出端子1306，用于在输出端子1306处提供正的电压；负的电压开关元件1332连接至逆变器电路模块1300的第二输入端子1302和输出端子1306，用于在输出端子1306处提供负的电压。
中性点开关电路1333耦接在逆变器电路模块1300的第三输入端子1303与输出端子1306之间，用于在输出端子1306处提供中性点电压。尤其是，中性点开关电路1333包括并联连接的两个串联电路，第一串联电路由二极管和开关元件组成，用于切换从第三输入端子1303至输出端子1306方向的电流，并且第二串联电路由开关元件和二极管组成，用于切换从输出端子1306至第三输入端子方向的电流。
中性点开关电路1333的第一和第二串联电路的中间节点是互连的；因此提高了中性点开关电路1333的开关速度，即开关元件的漏极端子已经采用中性点电压预充电。
现在参考图3，示出了根据本发明的另一个典型的实施例的功率变换电路2000。该实施例的功率变换电路2000基于图1和2的功率变换电路1000，对应的部件采用对应的附图标记和术语。出于简明的原因，对应部件的详细描述被省略。
第二实施例的功率变换电路2000包括变换器电路模块1100、中间电路模块1200和逆变器电路模块1300。变换器电路模块1100和逆变器电路模块1300与第一实施例的相对应。
中间电路模块2200不同于中间电路模块1200，因为第一和第二开关元件S1210和S1220分别被拨动开关元件S2210和S2220替代。
此外，中间电路模块2200的第一和第二降压变换器1210和1220经由第一和第二(拨动)开关元件S2210和S2220当中的一个分别连接至第三和第四输入端子1103和1104当中的一个或第一和第二导体通路1201和1202当中的一个。据此，第一和第二开关元件S2210和S2220在至第三和第四输入端子1103和1104当中的一个的连接之间和至第一和第二导体通路1201和1202当中的一个的连接之间分别拨动。
将第一和第二(拨动)开关元件S2210和S2220与第一和第二二极管D1210和D1220合并在一起，用于将第一和第二降压变换器1210和1220当中的一个分别连接至第一和第二导体通路1201和1202当中的一个将产生有益的组合。特别地，鉴于第一和第二(拨动)开关元件S2210和S2220提供了更高的电流承载能力，第一和第二二极管D1210和D1220将产生快的开关速度。
现在参考图4，示出了根据本发明的另一个典型的实施例的功率变换电路3000。该实施例的功率变换电路3000基于图1和2的功率变换电路1000，对应的部件采用对应的附图标记和术语。出于简明的原因，对应部件的详细描述被省略。
第三实施例的功率变换电路3000包括七个模块，即三个变换器电路模块1100-a、1100-b、1100-c，中间电路模块1200和三个逆变器电路模块1300-a、1300-b、1300-c。这七个模块经由相应的输入/输出端子彼此连接，并且在不间断电源内部运行期间共同提供了最小化开关损耗的有益效果。
特别地，三个变换器电路模块1100-a、1100-b、1100-c对应第一实施例的变换器电路模块1100，其中三个变换器电路模块1100-a、1100-b和1100-c能够接收三相AC电压。相似地，三个逆变器电路模块1300-a、1300-b和1300-c对应第一实施例的逆变器电路模块1300，其中三个逆变器电路模块1300-a、1300-b和1300-c能够输出三相AC电压。
更详细地，三个变换器电路模块1100-a、1100-b和1100-c当中的每一个的第一输入端子1101-a、1101-b、1101-c用于连接三相AC电源的不同相端子。三个变换器电路模块1100-a、1100-b和1100-c当中的每一个的第二输入端子1102-a、1102-b和1102-c用于连接三相AC电源的中性点端子。
进一步地，三个变换器电路模块1100-a、1100-b和1100-c当中的每一个的第三和第四输入端子1103-a、…、1103-c、1104-a、…、1104-c用于分别连接DC电源400的正的和负的端子当中的一个；并且三个变换器电路模块1100-a、1100-b和1100-c当中的每一个的第一、第二、第三、第四和第五输出端子1105-a、…、1109-c分别连接中间电路模块1200的第一、第二、第三、第四和第五导体通路1201-1205。
逆变器电路模块1300-a、1300-b和1300-c当中的每一个的第一、第二、第三、第四和第五输入端子1301-a、…、1305-c分别连接中间电路模块1200的第一、第二、第三、第四和第五导体通路1201-1205。
进一步地，逆变器电路模块1300-a、1300-b和1300-c当中的每一个的三级逆变器电路1330-a、1330-b和1330-c被配置用于将相应的升压变换的第一和第二DC电源电压和中性点电压分别变换至三个不同相AC电压当中的一个；并且用于将变换的三个不同相AC电压当中的一个输出至逆变器电路模块1300-a、1300-b和1300-c当中的每一个的相应的输出端子1306-a、1306-b和1306-c。

Claims (10)

1.一种不间断电源中使用的功率变换电路(1000)，包含：
至少一个变换器电路模块(1100)，该变换器电路模块(1100)包含：
-第一输入端子(1101)，用于连接AC电源的相端子；第二输入端子(1102)，用于连接AC电源的中性点端子；以及第三和第四输入端子(1103，1104)，分别用于连接DC电源(400)的正极和负极端子当中的一个；以及
-第一和第二升压变换器(1110，1120)，用于将正极和负极电压当中的一个升压变换至恒定的第一和第二DC电源电压当中的一个，该第一和第二DC电源电压分别具有预定的正的和负的电压电平当中的一个；其中正的电压和负的电压经由第一输入端子(1101)作为AC电压的正的和负的部分当中的一个被接收和/或分别经由第三和第四输入端子(1103，1104)作为DC电源(400)的DC电压的正的和负的部分当中的一个被接收；
-第一和第二输出端子(1105，1106)，其分别连接至第一和第二升压变换器(1110，1120)当中的一个，用于提供升压变换的第一和第二DC电源电压当中的一个；以及第三输出端子(1107)，用于提供经由第二输入端子(1102)供应的中性点电压；
-第一和第二串联电路(1130，1140)，其均由二极管和电容器组成，第一和第二串联电路分别连接至第一和第二输出端子(1105，1106)当中的一个，并且两者均连接至第三输出端子(1107)；其中第一和第二串联电路(1130，1140)的中间节点(N1130，N1140)分别连接至第四和第五输出端子(1108，1109)当中的一个；
至少一个逆变器电路模块(1300)，该逆变器电路模块包含：
-第三和第四串联电路(1310，1320)，其均由二极管和电容器组成，第三和第四串联电路分别连接至第五和第六输入端子(1301，1302)当中的一个，并且两者均连接至第七输入端子(1303)；其中第三和第四串联电路(1310，1320)的中间节点(N1310，N1320)分别连接至第八和第九输入端子(1304，1305)当中的一个；
-三级逆变器电路(1330)，其连接至第五、第六和第七输入端子(1301-1303)，用于将相应的升压变换的第一和第二DC电源电压以及中性点电压变换至AC电压，并且用于将变换的AC电压输出至输出端子(1306)；
中间电路模块(1200)，该中间电路模块包含：
-第一、第二、第三、第四和第五导体通路(1201-1205)，用于将至少一个变换器电路模块(1100)的第一、第二、第三、第四和第五输出端子(1105-1109)当中的一个分别连接至至少一个逆变器电路模块(1300)的第五、第六、第七、第八和第九输入端子(1301-1305)当中的一个；
-第一和第二储存电容器(1231，1232)，其分别连接至第一和第二导体通路(1201，1202)当中的一个，并且均连接至第三导体通路(1203)；
其中至少一个变换器电路模块(1100)、中间电路模块(1200)和至少一个逆变器电路模块(1300)之间的每一路连接均包括寄生电感，
其中配置第一、第二、第三和第四串联电路(1130，1140，1310和1320)使得其中的每一个电容器均在电容器中临时储存对应于相应的升压变换的第一和第二DC电源电压的DC能量，并且在电容器中临时储存由相应的寄生电感引起的瞬态能量；并且
其中中间电路模块(1200)进一步包含第一和第二降压变换器(1210，1220)，其连接至第四和第五导体通路(1204，1205)当中的一个，用于将对应于临时储存在第一、第二、第三和第四串联电路(1130，1140，1310和1320)的电容当中的一个的瞬态能量的电压分别降压变换至具有预定的正的和负的电压电平当中的一个的第一和第二DC电源电压当中的一个；并且其连接至至少一个变换器电路模块(1100)的第三和第四输入端子(1103，1104)当中的一个，用于分别将第一和第二DC电源电压当中的一个供应至DC电源(400)。
2.根据权利要求1的功率变换电路，其中第一和第二降压变换器(1210，1220)进一步经由第一和第二二极管(D1210，D1220)当中的一个分别连接至第一和第二导体通路(1201，1202)当中的一个，用于将第一和第二DC电源电压当中的一个供应至第一和第二储存电容器(1231，1232)当中的一个。
3.根据权利要求1或2的功率变换电路，其中第一和第二降压变换器(1210，1220)经由第一和第二开关元件(S1210，S1220)当中的一个分别连接至至少一个变换器电路模块(1100)的第三和第四输入端子(1103，1104)当中的一个，用于激活/停用将第一和第二DC电源电压供应至DC电源(400)。
4.根据权利要求3的功率变换电路，其中第一和第二开关元件(S1210，S1220)被配置用来将第一和第二降压变换器(1210，1220)当中的一个分别连接至第三和第四输入端子(1103，1104)当中的一个或第一和第二导体通路(1201，1202)当中的一个。
5.根据权利要求4的功率变换电路，其中变换器电路模块(1100)的第三和第四输入端子(1103，1104)经由第三和第四开关元件(S1110，S1120)当中的一个分别连接至第一和第二升压变换器(1110，1120)当中的一个。
6.根据权利要求5的功率变换电路，其中第一至第四开关元件(S1210，S1220，S1110，S1120)当中的每一个均被实现为电磁继电器或包括可控硅整流器、SCR、晶闸管、MOSFET、和IGBT当中的一种的半导体开关元件。
7.根据权利要求6的功率变换电路，其中三级逆变器电路(1330)包括：
-正电压开关元件(1331)，其连接至第五输入端子(1301)，并且连接至逆变器电路模块(1300)的输出端子(1306)，用于在输出端子(1306)处提供正电压；
-负电压开关元件(1332)，其连接至第六输入端子(1302)，并且连接至逆变器电路模块(1300)的输出端子(1306)，用于在输出端子(1306)处提供负电压；以及
-中性点开关电路(1333)，其耦接在逆变器电路模块(1300)的第七输入端子(1303)与输出端子(1306)之间，用于在输出端子(1306)处提供中性点电压。
8.根据权利要求4至7当中的一项的功率变换电路，包含：
三个变换器电路模块(1100-a，1100-b，1100-c)，其中：
-三个变换器电路模块(1100-a，1100-b，1100-c)当中的每一个的第一输入端子(1101-a，1101-b，1101-c)用于连接三相AC电源的不同相端子；
-三个变换器电路模块(1100-a，1100-b，1100-c)当中的每一个的第二输入端子(1102-a，1102-b，1102-c)用于连接三相AC电源的中性点端子；
-三个变换器电路模块(1100-a，1100-b，1100-c)当中的每一个的第三和第四输入端子(1103-a，…，1103-c，1104-a，…，1104-c)分别用于连接DC电源(400)正极和负极端子当中的一个；并且
-三个变换器电路模块(1100-a，1100-b，1100-c)当中的每一个的第一、第二、第三、第四和第五输出端子(1105-a，…，1109-c)分别连接中间电路模块(1200)的第一、第二、第三、第四和第五导体通路(1201-1205)；
三个逆变器电路模块(1300-a，1300-b，1300-c)，其中：
–逆变器电路模块(1300-a，1300-b，1300-c)当中的每一个的第五、第六、第七、第八和第九输入端子(1301-a，…，1305-c)分别连接中间电路模块(1200)的第一、第二、第三、第四和第五导体通路(1201-1205)；并且
–逆变器电路模块(1300-a，1300-b，1300-c)当中的每一个的三级逆变器电路(1330-a，1330-b，1330-c)被配置用于将相应的升压变换的第一和第二DC电源电压和中性点电压分别变换至三个不同相AC电压当中的一个；并且用于将变换的三个不同相的AC电压当中的一个输出至逆变器电路模块(1300-a，1300-b，1300-c)当中的每一个的相应的输出端子(1306-a，1306-b，1306-c)。
9.一种不间断电源，包含：根据权利要求1至8当中的一项的功率变换电路，和DC电源(400)；其中DC电源的正极和负极端子分别连接至少一个变换器电路模块(1100)当中的每一个的第三和第四输入端子。
10.根据权利要求9的不间断电源，其中DC电源包括可再充电的电池。
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