CN105379060B - 不间断电源的控制 - Google Patents

Abstract

根据一个方面，本文所述的实施例提供一种不间断电源(UPS)，该UPS包括被配置成接收输入电力的第一输入端，被配置成接收备用电力的第二输入端，输出端，经由旁路开关选择性耦合在第一输入端和输出端之间的旁路线路，其中，在旁路工作模式中，旁路开关闭合并且输入电力直接提供给输出端，逆变器，该逆变器包括被配置成接收输入电力和备用电力中的至少一个的输入端和经由逆变器开关选择性耦合至UPS的输出端的输出端，其中，在线工作模式中，逆变器开关闭合，并且逆变器将输入电力转换为输出交流电力，以及用于在从旁路工作模式过渡到在线工作模式后操作逆变器以迫使旁路线路中的电流换向的装置。

Description

不间断电源的控制

技术领域

本文所述的至少一些实施例主要涉及不间断电源(UPS)。

背景技术

使用电源装置诸如不间断电源(UPS)为敏感和/或关键的负载诸如计算机系统和其他数据处理系统提供已调整的不间断电力是已知的。已知的不间断电源包括在线UPS、离线UPS、在线互动UPS以及其他不间断电源。在线UPS在主要交流电源中断时提供经调节的交流电以及备用的交流电。典型的在线UPS也可以以旁路模式操作，在此模式中，具有基本保护的未经调节的电力经由旁路线路从交流电源直接提供给负载。

发明概述

本发明的至少一个方面涉及不间断电源(UPS)，其包括被配置成耦合至交流电源并接收输入电力的第一输入端，被配置成耦合至备用电源以接收备用电力的第二输入端，被配置成耦合至负载并向负载提供从输入电力和备用电力中的至少一个获取的输出交流电力的输出端，经由旁路开关选择性耦合在第一输入端和输出端之间的旁路线路，其中，旁路开关被配置成在第一工作模式中闭合，经由旁路线路将UPS的第一输入端耦合至UPS的输出端，并在第二工作模式中打开，从UPS的输出端解耦UPS的第一输入端，逆变器，所述逆变器包括被配置成接收输入电力和备用电力中的至少一个的输入端以及经由逆变器开关选择性耦合至UPS的输出端的输出端，其中，所述逆变器开关被配置成在第二工作模式中闭合，将逆变器的输出端耦合至UPS的输出端，并在第一工作模式中打开，从UPS的输出端解耦逆变器的输出端，以及耦合至逆变器和旁路线路的逆变器控制器，其中，所述逆变器控制器被配置成在第二工作模式中监测旁路线路中的电流，并响应于旁路线路中的电流大于阈值电平的确定，操作逆变器以向UPS的输出端提供具有与旁路线路中的电流方向相反方向的电流。

根据一个实施例，逆变器控制器还被配置成在第二工作模式中响应于旁路线路中的电流小于阈值电平的确定，操作逆变器以向UPS的输出端提供交流电力。在一个实施例中，逆变器控制器经由电流传感器耦合至旁路线路。在另一实施例中，逆变器控制器包括耦合至逆变器的逆变器控制模块以及耦合至逆变器控制模块和电流传感器的旁路电流幅值检测电路，其中，在第二工作模式中，旁路电流幅值检测电路被配置成从电流传感器接收旁路线路中的电流的指示，并基于旁路线路中的电流的指示，向逆变器控制模块提供旁路线路中的电流是否大于阈值电平的指示。

根据另一实施例，响应于旁路线路中的电流大于阈值电平的指示，逆变器控制模块被配置成控制逆变器作为电流源操作。在一个实施例中，响应于旁路线路中的电流小于阈值电平的指示，逆变器控制模块被配置成控制逆变器作为电压源操作。在另一实施例中，逆变器控制器还包括旁路电流方向检测电路，其耦合至逆变器控制模块和电流传感器并被配置成从电流传感器接收旁路线路中的电流的指示，并基于旁路线路中的电流的指示，向逆变器控制模块提供旁路线路中的电流的方向的指示。

根据一个实施例，UPS还包括耦合至第一输入端、旁路开关和逆变器开关的UPS控制器，其中，所述UPS控制器被配置成监测在第一输入端的交流电力，其中，响应于在第一输入端的交流电力是可接受的确定，UPS控制器还被配置成控制UPS在第一工作模式中操作，并且其中，响应于在第一输入端的交流电力是不可接受的确定，UPS控制器还被配置成控制UPS在第二工作模式中操作。在一个实施例中，在第二工作模式中，所述输出端被配置成向负载提供从备用电力获取的输出交流电力。在另一实施例中，在第二工作模式中，所述输出端被配置成向负载提供从输入电力获取的输出交流电力。

根据一个实施例，UPS还包括耦合至旁路开关的旁路继电器保护电路，其被配置成监测旁路线路中的电流并响应于旁路线路中的电流在截止电平之上的确定来阻止旁路开关的操作。

本发明的另一方面涉及一种用于操作UPS的方法，所述UPS具有输入端、输出端、选择性耦合在输入端和输出端之间的旁路线路，以及逆变器，所述方法包括监测从交流电源提供给UPS输入端的输入交流电力，确定提供给所述输入端的输入交流电力是否是可接受的，响应于输入交流电力是可接受的确定，经由旁路线路将输入交流电力提供给UPS的输出端，响应于输入交流电力是不可接受的确定，切断所述输入端和所述输出端之间经由旁路线路的连接并启用逆变器，监测旁路线路中的电流，响应于所述监测，确定旁路线路中的电流是否超出阈值电平，并且响应于旁路线路中的电流超出阈值电平，操作逆变器以向UPS的输出端提供具有与旁路线路中的电流的方向相反方向的输出电流。

根据一个实施例，所述方法还包括响应于旁路线路中的电流未超出阈值电平的确定，操作逆变器以向UPS的输出端提供处于受控电压的输出交流电力。在一个实施例中，操作逆变器以向UPS的输出端提供输出交流电力包括从正弦波基准产生电路接收基准正弦波信号，监测逆变器输出端的电压，并基于所述基准正弦波信号和所监测的在逆变器输出端的电压操作所述逆变器以向UPS的输出端提供输出交流电力。

根据另一实施例，操作逆变器以向UPS的输出端提供具有与旁路线路中的电流的方向相反方向的输出电流包括使所述逆变器作为电流源操作。在一个实施例中，使所述逆变器作为电流源操作包括从耦合至旁路线路的电流传感器接收旁路线路中的电流的指示，通过方向检测电路确定旁路线路中的电流的方向，并基于旁路线路中电流的方向的确定，向逆变器传送信号以控制所述逆变器提供具有与旁路线路中的电流的方向相反方向的输出电流。

根据另一实施例，切断所述输入端和所述输出端之间经由旁路线路的连接包括打开旁路线路上的选择性耦合在所述输入端和所述输出端之间的旁路开关。在一个实施例中，启用逆变器包括闭合耦合在逆变器的输出端和UPS的输出端之间的逆变器开关。在另一实施例中，所述方法还包括响应于旁路线路中的电流超过截止电平的确定来阻止所述输入端和所述输出端之间经由旁路线路的连接断开。

本发明的至少一个方面涉及不间断电源(UPS)，所述UPS包括被配置成耦合至交流电源并接收输入电力的第一输入端，被配置成耦合至备用电源以接收备用电力的第二输入端，输出端，其被配置成耦合至负载并向负载提供从输入电力和备用电力中的至少一个获取的输出交流电力，经由旁路开关选择性耦合在所述第一输入端和输出端之间的旁路线路，其中，在旁路工作模式中，旁路开关闭合并且输入电力直接提供给所述输出端，逆变器，所述逆变器包括被配置成接收输入电力和备用电力中的至少一个的输入端和经由逆变器开关选择性耦合至UPS的输出端的输出端，其中，在在线工作模式中，逆变器开关闭合，逆变器接收输入电力，并且所述逆变器将输入电力转换为输出交流电力，以及用于在从旁路工作模式过渡到在线工作模式后操作所述逆变器以迫使旁路线路中的电流换向的装置。

附图说明

附图不一定按比率绘制。在附图中，在各图中示出的每个相同或近似相同的部件由相同的标号表示。为清楚起见，并不是每个附图中的每个部件都标出。在附图中：

图1示出根据本发明的各个方面的在线UPS；

图2示出根据本发明的各个方面的逆变器控制器；以及

图3示出根据本发明的各个方面的旁路继电器保护电路。

具体实施方式

现将参考附图来详细讨论各个实施例及其各方面。应当理解，本发明并不局限于在下面的具体实施方式中阐述或在附图中示出的部件的构造和布置细节的应用。本发明能够以其他实施例或以各种方式实践或实施。而且，本文所用的短语和术语用于描述目的，不应视作限制。在本文使用“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变体时，意指包含在其后面列出的各项及其等效体以及另外的项。

如上所述，典型的在线UPS可以以旁路模式操作，在此模式中，未经调节的电力经由旁路线路通过旁路开关从交流电源(例如，交流干线)直接提供给负载。如果在交流干线发生干扰(例如，骤降或骤升状况)，在线UPS可进入在线模式或电池模式，在此模式中，旁路线路通过打开旁路开关从负载断开，并且在线UPS操作以调节由交流干线或电池提供的电力并向耦合至负载的输出端提供调节后的电力。在旁路开关从闭合过渡到打开后，旁路线路仍然可在一段时间内运载电流(例如，10ms)并充当在线UPS的输出端和交流干线之间的短路(例如，由于旁路开关的触点之间的电弧放电)。如果旁路开关是可控硅整流器(SCR)，旁路开关将仅在自然电流零点停止导通。这可潜在导致交流干线和逆变器之间的大循环电流，所述大循环电流可导致直流链路电压上升和负载掉线。为防止这点，可利用断开旁路线路和接通逆变器之间的大的传输时间延迟(例如，10-13ms)。这个传输时间延迟可导致至负载的电力不期望地中断。

在本文所述的至少一些实施例中，提供一种UPS控制架构，在此UPS控制架构中，在从旁路模式转移至在线模式时，在线UPS内的逆变器经控制作为电流源操作以与旁路线路中的电流方向相反的方向输送电流。这可迫使旁路线路中的电流为零，从而防止逆变器短路至交流干线。一旦旁路线路中的电流变为零，逆变器经控制作为电压源操作。根据至少一个实施例，通过使用本方法，传输时间延迟可减少到低至1ms。

图1示出根据本发明的各方面的在线UPS 100。UPS 100包括输入端101、UPS控制器180、反馈继电器102、电池104、前端功率因数校正(PFC)转换器和DC/DC控制器106、正直流总线107、负直流总线109、逆变器108、逆变器继电器110、旁路线路112、旁路继电器114、逆变器控制器117和输出端118。逆变器108包括第一开关116、第二开关118、第三开关120、第四开关122和电感器124。根据一个实施例，逆变器108内的开关116-122是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；不过，在其他实施例中，可采用其他类型的开关或晶体管，另外可使用其他类型的逆变器。

UPS 100的输入端101被配置成耦合至交流电源103(例如，交流干线)。UPS控制器180耦合至输入端101、反馈继电器102、旁路继电器114、逆变器继电器110且耦合至逆变器108。UPS 100的输入端101也经由反馈继电器102耦合至PFC转换器和DC/DC控制器106的输入端105。电池104耦合在PFC转换器和DC/DC控制器106以及接地155之间。旁路线路112经由旁路继电器114耦合在PFC转换器和DC/DC控制器106的输入端105以及UPS 100的输出端118之间。

正直流总线107耦合在PFC转换器和DC/DC控制器106的正输出端111以及第一开关116的集电极126之间。第一开关的发射极128耦合至第二开关118的集电极132。第二开关118的发射极134耦合至第三开关120的集电极138。第三开关120的发射极140耦合至第四开关122的集电极142。第四开关122的发射极144经由负总线109耦合至PFC转换器和DC/DC控制器106的负输出端113。第一二极管148耦合在第一开关116的集电极126和发射极128之间。第二二极管150耦合在第二开关118的集电极132和发射极134之间。第三二极管152耦合在第三开关120的集电极138和发射极140之间。第四二极管154耦合在第四开关122的集电极142和发射极144之间。

第一电容器160耦合在正总线107和接地155之间。第二电容器162耦合在负总线109和接地155之间。第五二极管156耦合在接地155和第二开关118的集电极132之间。第六二极管158耦合在接地155和第四开关122的集电极之间。

电感器124的输入端125耦合至第三开关120的集电极138。电感器124的输出端127耦合至逆变器继电器110。逆变器继电器110耦合在电感器124的输出端127和UPS 100的输出端118之间。第三电容器164耦合在电感器124的输出端127和接地155之间。UPS 100的输出端118被配置成耦合至负载。

逆变器控制器117耦合至旁路线路112并耦合至UPS 100的输出端118。逆变器控制器117也耦合至逆变器108内的每个开关116-122的栅极130、136、142、146。

基于从交流干线103接收到的交流电，UPS 100被配置成在不同的工作模式操作。例如，根据一个实施例，UPS控制器180监测在输入端101从交流干线103接收到的交流电，并基于所监测的交流电，向反馈继电器102、旁路继电器114、逆变器继电器110和逆变器108发送控制UPS 100的操作的控制信号182。

响应于确定从交流干线103接收到的交流电力是可接受的(例如，在期望水平)，UPS控制器180操作UPS 100以使其进入“旁路”工作模式。在“旁路”工作模式中，UPS控制器180传送闭合反馈继电器102、闭合旁路继电器114和闭合逆变器继电器110的控制信号182。在“旁路”工作模式中，UPS控制器180也向逆变器108传送关断逆变器108的控制信号182。例如，在一个实施例中，UPS控制器180通过向逆变器108内的开关116、118、120、122传送禁用开关116、118、120、122的控制信号182来关断逆变器108。因此，在“旁路”工作模式中，UPS100的输入端101(耦合至交流干线103)经由旁路线路112直接耦合至UPS 100的输出端118，以及在输入端101从交流干线103接收到的未经调节的交流电力直接提供到输出端118从而提供给负载166。另外，在“旁路”工作模式中，PFC转换器和DC/DC控制器106经操作保持直流总线107、109上的电压。

响应于从交流干线103接收到的交流电力处于骤降或骤升状况的确定，UPS控制器180操作UPS 100以使其进入“在线”工作模式。在“在线”工作模式中，UPS控制器180传送闭合反馈继电器102、闭合逆变器继电器110、打开旁路继电器114和接通逆变器108的控制信号182。根据一个实施例，为了接通逆变器108，UPS控制器180向逆变器108内的开关116、118、120、122传送启用开关116、118、120、122的控制信号182。一旦启用，开关116、118、120、122可由逆变器控制器117控制(即，接通和关断)。因此，PFC转换器和DC/DC控制器106在其输入端105接收来自交流干线103的交流电力。PFC转换器和DC/DC控制器106将交流电力转换为直流电力，并经由其正输出端111向正直流总线107提供正直流电力并经由其负输出端113向负直流总线109提供负直流电力。在正总线107和负总线109上的直流电力提供给逆变器108。

当逆变器108接通时，逆变器108内的开关116、118、120、122通过逆变器控制器117操作(即，接通和关断)，结合电感器124和第三电容器164将从正总线107和负总线109接收到的直流电力转换为期望的交流电力。根据一个实施例，逆变器控制器117监测在逆变器108的输出端167的电流和电压并基于所监测的电流和电压来操作开关116、118、120、122以在逆变器108的输出端167生成期望的交流电力。在一个实施例中，逆变器控制器117通过向开关116、118、120、122的栅极130、136、142、146传送控制信号170来操作所述开关。逆变器108所生成的期望的交流电力提供给UPS 100的输出端118以向负载166供电。另外，在“在线”工作模式中，由PFC转换器和DC/DC控制器106所生成的直流电力提供给电池104以对电池104充电。

响应于从交流干线103接收到的交流电力处于限制用电或断电状况的确定，UPS控制器180操作UPS 100以使其进入“电池”工作模式。在“电池”工作模式中，UPS控制器180传送打开反馈继电器102、闭合逆变器继电器110和接通逆变器108的控制信号182。在电池104放电时，来自电池104的直流电力提供给PFC和DC/DC控制器106。PFC转换器和DC/DC控制器106将从电池104接收到的直流电力转换为期望电平的直流电力并向正直流总线107和负直流总线109提供期望的直流电力。在正总线107和负总线109上的直流电力提供给逆变器108。

当逆变器108接通时，逆变器108内的开关116、118、120、122通过逆变器控制器117操作(即，接通和关断)，结合电感器124和第三电容器164将从正总线107和负总线109接收到的直流电力转换为期望的交流电力。逆变器108生成的所转换的交流电力提供给UPS 100的输出端118以向负载166供电。

除了在“在线”和“电池”工作模式期间控制开关116-122的操作以外，逆变器控制器117也监测旁路线路112，并当UPS 100从“旁路”工作模式转换至“在线”或“电池”工作模式并迫使旁路线路112中的电流为零时，经操作使旁路线路112中的电流转向。根据一个实施例，逆变器控制器117经由霍尔效应传感器168监测旁路线路112中的电流，不过，在其他实施例中，可采用不同类型的电流传感器。

在交流干线103无法检测的情况下(由于骤降、骤升、限制用电或断电状况)，旁路继电器114经驱动打开，逆变器继电器110保持闭合以及逆变器108接通。不过，尽管旁路继电器114打开、旁路线路112仍然可承载电流(例如，由于电弧放电)并充当UPS 100的输出端118和交流干线103之间的短路。根据一个实施例，只要逆变器控制器117在旁路线路112中感测到电流172(例如，经由霍尔效应传感器168)，逆变器控制器117操作逆变器108(即，操作开关116-122)以作为电流源运行，以向输出端118输送与旁路线路112中的电流172的方向相反的电流176。这迫使旁路线路中的电流172为零，从而防止逆变器108对交流干线103形成短路。一旦旁路线路中的电流172变为零，逆变器控制器117操作逆变器108使其作为电压源(即，操作开关116-122)以向负载166提供期望的电力。通过迫使旁路线路112中的电流172转向，从“旁路”模式转换至“在线”模式之间的转换时间延迟可减少到低至1ms。

逆变器控制器117在下面参考图2详细讨论。图2示出根据本文所述的实施例的逆变器控制器117。逆变器控制器117包括逆变器控制模块200、旁路电流方向检测电路202和旁路电流幅值检测电路204。逆变器控制模块200包括正弦波基准产生电路206、第一开关208、电压控制器212、电流控制器216、电流限制电路220、与非门逻辑218和第二开关224。旁路电流方向检测电路202包括比较器226。比较器226包括运算放大器230、第一电阻器232和第二电阻器234。旁路电流幅值检测电路204包括电平比较器236和二极管238。电平比较器236包括第一运算放大器240、第二运算放大器242和多个电阻器244-264。

逆变器控制模块200的正弦波基准产生电路206耦合至第一开关208的第一输入端207。比较器226内的运算放大器230的输出端236耦合至第一开关208的第二输入端209。运算放大器230的正端子238经由第二电阻器234耦合至输出端236。正端子238经由第一电阻器232耦合至旁路线路112(例如，利用霍尔效应传感器168)。运算放大器230的负端子240耦合至接地229。

电平比较器236内的第一运算放大器240的负端子274也经由霍尔效应传感器168耦合至旁路线路。第一运算放大器240的负端子274也经由电阻器254耦合至电平比较器238内的第二运算放大器242的正端子278。第一运算放大器240的正端子272经由电阻器248耦合至第一运算放大器240的输出端276。第一运算放大器240的正端子272也经由电阻器250耦合至节点251。节点251经由电阻器258耦合至正电源电压(例如，+5V)268并经由电阻器260耦合至接地229。第一运算放大器240的输出端276耦合至第二运算放大器242的输出端282。

第二运算放大器242的正端子278也经由电阻器252耦合至第二运算放大器242的输出端282。第二运算放大器242的负端子280经由电阻器256耦合至节点263。所述节点经由电阻器264耦合至负电源电压(例如，-5V)270并经由电阻器262耦合至接地229。第一运算放大器240的输出端276和第二运算放大器242的输出端282两者经由电阻器246耦合至二极管238的阴极239。二极管238的阴极239也经由电阻器244耦合至正电源电压(例如，+5V)266。

二极管238的阳极241耦合至逆变器控制模块200内的节点227。节点227经由电阻器285耦合至UPS控制线228(例如，来自UPS控制器180)并经由电容器287耦合至接地229。节点227也经由控制线294耦合至第一开关208并经由控制线296耦合至第二开关224。

第一开关208的输出端211耦合至电压控制器212。第二开关224的输出端231耦合至电压控制器212作为反馈。第二开关224的第一输入端223耦合至UPS 100的输出端118。第二开关224的第二输入端225耦合至接地229。电压控制器212耦合至电流控制器216。电流控制器216也耦合至逆变器108的输出端167并被配置成在逆变器108的输出端167接收作为反馈的电流指示(例如，经由耦合至输出端167的霍尔效应传感器222)。例如，在一个实施例中，耦合至输出端167的霍尔效应传感器222向电流控制器216提供作为反馈的电压信号，所述电压信号与在逆变器108的输出端167的电流176成正比。电流限制电路220耦合至UPS100的输出端118(例如，经由霍尔效应传感器222)。电流控制器216和电流限制电路也耦合至与非门逻辑218。与非门逻辑耦合至开关116、118、120、122的栅极130、136、142、146。

霍尔效应传感器168耦合至旁路线路112并被配置成向旁路电流方向检测电路202提供旁路线路112中的电流的指示。基于从霍尔效应传感器168接收到的旁路线路112中的电流的指示，比较器226向逆变器控制模块200输出方波，所述方波的极性取决于旁路线路112中的电流172的方向(即，极性)。例如，根据一个实施例，当旁路线路112中的电流172为正时，比较器226的方波输出为正，以及当旁路线路112中的电流172为负时，所述方波输出为负；不过，在其他实施例中，由比较器226生成的方波可进行不同的配置。因此，旁路电流方向检测电路202向逆变器控制模块200提供旁路线路112中的电流172的方向的指示。

霍尔效应传感器168还被配置成向旁路电流幅值检测电路204提供旁路线路112中的电流的指示。基于从霍尔效应传感器168接收到的旁路线路112中的电流的指示，电平比较器236(例如，向二极管238的阴极239)输出大致低的信号，其包括接近旁路线路112中的电流172的每个过零点的脉冲。只要旁路线路112中的电流172在阈值电平之上，电平比较器236的输出结果保持低值。当旁路线路112中的电流172下降到阈值电平(例如，接近零的阈值电平)以下时，电平比较器236的输出结果上升(即，脉动)。因此，当旁路线路112中的电流172低于阈值电平时，电平比较器236向逆变器控制模块200提供该指示。

如上所述，基于从交流干线103接收到的交流电力，UPS 100被配置成在不同的工作模式操作。在“旁路”工作模式中，逆变器108被禁用，以及在“电池”或“在线”工作模式中，逆变器108被启用。根据一个实施例，逆变器的操作状态(即，开关116、118、120、122的操作状态)由控制逆变器108是接通还是关断(即，开关116、118、120、122被启用还是禁用)的逆变器控制信号(例如，来自UPS控制器180)控制。例如，在一个实施例中，来自UPS控制器180的低逆变器控制信号关断逆变器108(即，禁用开关116、118、120、122)，以及来自UPS控制器180的高逆变器控制信号接通逆变器108(即，启用开关116、118、120、122)。在其他实施例中，逆变器控制信号可进行不同的配置。根据一个实施例，由UPS控制器180提供给逆变器108的逆变器控制信号也经由逆变器控制线228提供给逆变器控制模块200。

当UPS 100处于“旁路”模式时，反馈继电器102、旁路继电器114和逆变器继电器110被闭合，逆变器108被禁用(即，开关116、118、120、122被禁用)，以及UPS 100的输入端101(耦合至交流干线103)经由旁路线路112直接耦合至UPS 100的输出端118。如上所述，通过来自UPS控制器180的低逆变器控制信号，通过禁用逆变器108内的开关116、118、120、122，逆变器108被禁用。在UPS 100处于“旁路”模式时，来自UPS控制器180的低逆变器控制信号(INV_EN)也经由逆变器控制线228提供给逆变器控制模块200。

逆变器控制线228上的低逆变器控制信号(INV_EN)经由控制线294提供给第一开关并操作第一开关208以将运算放大器230的输出端236(即，旁路电流方向检测电路202的输出端)选择性耦合至电压控制器212。低逆变器控制信号(INV_EN)也经由控制线296提供给第二开关224并操作第二开关224以将接地229选择性耦合至电压控制器212作为反馈。因此，在UPS 100处于“旁路”模式时，提供给电压控制器212的反馈为零，以及提供给电压控制器的电压基准信号290是旁路电流方向检测电路202的输出方波(如上所述，指示,旁路电流172的方向)。

电压控制器212接收旁路电流方向检测电路202的输出方波(指示旁路电流172的方向)，并作为响应，向电流控制器216输出与旁路电流172的方向在相同方向(即，具有相同极性)的电流基准信号292。另外，在UPS 100处于“旁路模式”时，旁路线路112中的旁路电流172驱动旁路电流幅值检测电路204的电平比较器236以产生具有接近旁路电流172的每个过零点的脉冲的低信号。不过，在逆变器控制线228上的逆变器控制信号(INV_EN)为低时，二极管238被反向偏置并且至开关208、224中的每个的控制信号保持为低电平。

在交流干线103无法检测的情况下(由于骤降、骤升、用电限制或断电状况)，旁路继电器114经驱动打开并且逆变器108接通。根据一个实施例，旁路继电器114在逆变器108接通之前完全打开。例如，在一个实施例中，逆变器108的接通延迟至少2ms以允许旁路继电器114完全打开；不过，在其他实施例中，其他延迟可实现。根据另一实施例，在旁路继电器114被可控硅整流器(SCR)替换的情况下，SCR的关断和逆变器108的接通可同时完成。

如上所述，UPS控制器180通过驱动逆变器控制信号(INV_EN)为高来接通逆变器108。高逆变器控制信号(INV_EN)也经由逆变器控制线228提供给逆变器控制模块200。不过，即使高逆变器控制信号(INV_EN)提供给逆变器控制线228，如果旁路线路112中仍然存在电流172(例如，由于如上所述的电弧放电)，在电平比较器236的输出端也保持低电平(由于旁路线路112中的电流172)时，经由控制线294、296提供给第一和第二开关208、224的控制信号保持为低电平。经由控制线294从节点227提供给第一开关208的低控制信号继续操作第一开关208以将运算放大器230的输出端236(即，旁路电流方向检测电路202的输出端)选择性耦合至电压控制器212。经由控制线296从节点227提供给第二开关224的低控制信号也继续操作第二开关224以将接地229选择性耦合至电压控制器212作为反馈。

因此，在电流172在旁路线路112中流动时，提供给电压控制器212的反馈为零，以及提供给电压控制器的电压基准信号290是旁路电流方向检测电路202的输出方波(如上所述，指示旁路电流172的方向)。电压控制器212接收旁路电流方向检测电路202的输出方波(指示旁路电流172的方向)，并作为响应，向电流控制器216输出与旁路电流172的方向在相同方向(即，具有相同极性)的电流基准信号292。

基于电流基准信号292(指示旁路线路112中的电流172的方向)和提供在逆变器108的输出端167的电流的指示的反馈信号(例如，来自耦合至逆变器108的输出端167的霍尔效应传感器222)，电流控制器216(通过与非门逻辑218)向开关116、118、120、122的栅极130、136、142、146传送控制逆变器108的脉冲170，以向输出端167供应与旁路线路112中的电流172的方向相反方向的电流176(即，具有相反极性)。通过向输出端167供应与旁路线路112中的电流172的方向相反方向的电流176，旁路线路112中的电流172被迫为零。通过迫使旁路线路112中的电流172转向，可防止逆变器108短路交流干线113。只要旁路线路112中的电流176高于阈值电平，逆变器108可充当电流源(提供与电流172的方向相反方向的电流176)。

一旦旁路线路112中的电流176下降到阈值电平以下，来自霍尔效应传感器168的旁路线路112中的电流的指示下降到低于预定水平。响应于旁路线路112中的电流下降到低于预定水平的指示，电平比较器236的输出结果走高。因此，经由控制线294从节点227至第一开关208的控制信号和经由控制线296从节点227至第二开关224的控制信号走高。响应于经由控制线294的高控制信号，第一开关208将正弦波基准产生电路206选择性耦合至电压控制器212，以及响应于经由控制线296的高控制信号，第二开关224将逆变器108的输出端167选择性耦合至电压控制器212作为反馈。

基于来自正弦波基准产生电路206的基准正弦波和来自逆变器108的输出端167的电压反馈信号，电压控制器生成电流基准信号292。根据一个实施例，正弦波基准产生电路206是数字信号处理器(DSP)的一部分；不过，在其他实施例中，正弦波基准产生电路206可进行不同的配置。基于电流基准信号292和提供在逆变器108的输出端167的电流的指示的反馈信号(例如，来自耦合至逆变器108的输出端167的霍尔效应传感器222)，电流控制器216(通过与非门逻辑218)向开关116、118、120、122的栅极130、136、142、146传送控制逆变器108以向负载166供应期望的交流电力的脉冲170。

根据一个实施例，逆变器控制模块200也包括电流限制电路220。电流限制电路220被配置成监测在逆变器108的输出端167的电流(例如，经由霍尔效应传感器222)并限制传送至开关116-122的脉冲170，使得由逆变器108生成的输出电流不超出UPS 100的电流限值。

通过迫使旁路线路112中的电流172转向同时接通逆变器108，来防止逆变器108短路交流干线103。另外，断开旁路线路112和接通逆变器108之间的转换时间延迟可降低到低至1ms。根据一个实施例，如上所述，在逆变器的接通经延迟(例如，2ms)以允许旁路继电器完全打开的情况下，断开旁路线路112和接通逆变器108之间的总转换时间延迟可降低到低至3ms。

根据一个实施例，逆变器控制器117也包括旁路继电器保护电路。图3示出旁路继电器保护电路300的一个实施例。旁路继电器保护电路300包括晶体管302、旁路继电器控制线314、旁路继电器驱动线312、电平比较器326和二极管334。晶体管的基极306经由电阻器318耦合至旁路继电器控制线314且经由电阻器320耦合至接地229。晶体管302的发射极308耦合至接地229。二极管310耦合在晶体管302的集电极发射极308和晶体管302的集电极304之间。晶体管302的集电极304经由电阻器316耦合至电源电压(例如，+12V)322。旁路继电器驱动线312耦合在晶体管302的集电极304和旁路继电器114之间。旁路继电器驱动线312也耦合至二极管334的阳极338。旁路继电器控制线314耦合至UPS控制器180。

电平比较器326包括第一运算放大器330、第二运算放大器332和多个电阻器342-376。第一运算放大器330的正端子348经由电阻器344耦合至运算放大器330的输出端350。第一运算放大器330的正端子348经由电阻器346耦合至节点378。节点378经由电阻器342耦合至电源电压(例如，+5V)340。节点378也经由电阻器340耦合至接地229。第一运算放大器330的负端子352经由电阻器356耦合至第二运算放大器352的正端子359。第二运算放大器352的正端子359经由电阻器354耦合至第二运算放大器332的输出端362。第二运算放大器332的负端子360经由电阻器364耦合至节点380。节点380也经由电阻器366耦合至接地并经由电阻器368耦合至电源电压(例如，-5V)370。

第一运算放大器330的负端子352也经由霍尔效应传感器328耦合至旁路线路112。第一运算放大器330的输出端350和第二运算放大器332的输出端362两者均耦合至二极管334的阴极336。阴极336也经由电阻器374耦合至电源电压(例如，+5V)。

旁路继电器保护电路300被配置成如果旁路线路112中的电流172太高(即，高于阈值或截止电平)则禁止旁路继电器114操作。旁路继电器114在此高于阈值的高电流的操作(例如，切换)可能降低UPS 100的可靠性和/或损坏UPS 100。因此，旁路继电器保护电路300响应于检测到旁路线路112中的电流172由于诸如UPS 100中的短路、过载状况或峰值负载充电状况为高(即，高于阈值)而禁止旁路继电器114操作。

根据一个实施例，阈值电平由电平比较器326定义。电平比较器326从耦合至旁路线路112的霍尔效应传感器328接收旁路线路112中的电流172的指示。如果旁路线路112中的电流172高于由电平比较器326定义的阈值电平，则电平比较器326输出低信号。响应于来自电平比较器326的低信号，旁路继电器保护电路300在旁路继电器驱动线312上提供高控制信号(以保持旁路继电器112闭合)，而不管从旁路继电器控制线314上的UPS控制器180接收到的任何控制信号。

另选地，如果旁路线路112中的电流172低于由电平比较器326定义的阈值电平，则电平比较器326输出高信号。响应于来自电平比较器326的高信号，旁路继电器保护电路300允许(在旁路继电器控制线314上接收到的)来自UPS控制器180的旁路继电器控制信号(高或低)经由旁路继电器驱动线312传送至旁路继电器114以控制旁路继电器114的状态。因此，如果旁路线路112上的电流172高于电平比较器326设置的阈值，则旁路继电器保护电路300不允许UPS控制器180操作旁路继电器114，并且如果旁路线路112上的电流172低于电平比较器326设置的阈值，则旁路继电器保护电路300允许UPS控制器180控制旁路继电器114的操作。

如本文所述，逆变器控制器117被配置成用于包括多个IGBT开关116-122的逆变器106；不过，在其他实施例中，逆变器控制器117可用于任何其他类型的逆变器108。

如附图所示，UPS控制器180和逆变器控制器117是分开的部件；不过，在一些实施例中，UPS控制器180和逆变器控制器117的功能可由同一个控制器或处理器来执行。

如本文所述，逆变器控制器117用于在线UPS；不过，在其他实施例中，逆变器控制器117可用于其他类型的UPS。

而且如本文所述，UPS 100包括旁路继电器114和逆变器继电器110；不过，在其他实施例中，旁路继电器114和逆变器继电器110可由其他类型的开关替换。

因此，本文所述的实施例提供一种UPS控制架构，在此UPS控制架构中，在从旁路模式转换至在线或电池模式时，在线UPS内的逆变器作为电流源操作以在与旁路线路中的电流方向相反的方向输送电流。通过迫使旁路线路中的电流转向同时接通逆变器，可防止逆变器短路交流干线。另外，断开旁路线路和接通逆变器之间的转换时间延迟可降低到低至1ms。一旦旁路线路中的电流变为零，逆变器作为电压源转换器运行。

虽然因此已描述本发明的至少一个实施例的几个方面，但是应当理解，本领域的技术人员易于想到各种替代、更改和改进。此类替代、更改和改进旨在是本公开的一部分，因此旨在落入本发明的实质和范围内。因此，前面的描述和附图仅起示例的作用。

Claims (20)

1.一种不间断电源UPS，包括：

第一输入端，其被配置成耦合至交流电源并接收输入交流电力；

第二输入端，其被配置成耦合至备用电源以接收备用电力；

输出端，其被配置成耦合至负载并向所述负载提供从所述输入电力和所述备用电力中的至少一个获取的输出交流电力；

旁路线路，其经由旁路开关选择性耦合在所述第一输入端和所述输出端之间，其中，所述旁路开关被配置成在第一工作模式中闭合，从而经由所述旁路线路将所述UPS的第一输入端耦合至所述UPS的输出端，并在第二工作模式中打开，从而将所述UPS的第一输入端从所述UPS的输出端解耦；

功率因数校正PFC转换器，其耦合至所述第一输入端和所述第二输入端，并且所述PFC转换器被配置成接收所述输入交流电力和所述备用电力并在所述第二工作模式中，基于所述输入交流电力和所述备用电力中的至少一个生成期望水平的直流电力；

总线，其耦合至所述PFC转换器并被配置成接收所述期望水平的所述直流电力；

逆变器，其包括输入端和输出端，所述逆变器的输入端耦合至所述总线并被配置成经由所述总线从所述PFC转换器接收所述期望水平的所述直流电力，所述逆变器的输出端经由逆变器开关选择性耦合至所述UPS的输出端，其中，所述逆变器开关被配置成在所述第二工作模式中闭合，从而将所述逆变器的输出端耦合至所述UPS的输出端，并在所述第一工作模式中打开，从而将所述逆变器的输出端从所述UPS的输出端解耦；以及

逆变器控制器，其耦合至所述逆变器和所述旁路线路，其中，所述逆变器控制器被配置成在所述第二工作模式中，操作所述逆变器将经由所述总线从所述PFC转换器接收的所述直流电力转换为所述输出交流电力，监测所述旁路线路中的电流，并响应于确定所述旁路线路中的电流大于阈值电平，操作所述逆变器以向所述UPS的输出端提供具有与所述旁路线路中的电流的方向相反的方向的电流。

2.根据权利要求1所述的UPS，其中，所述逆变器控制器还被配置成在所述第二工作模式中响应于确定所述旁路线路中的电流小于所述阈值电平，操作所述逆变器以向所述UPS的输出端提供交流电力。

3.根据权利要求2所述的UPS，其中，所述逆变器控制器经由电流传感器耦合至所述旁路线路。

4.根据权利要求3所述的UPS，其中，所述逆变器控制器包括：

逆变器控制模块，其耦合至所述逆变器；以及

旁路电流幅值检测电路，其耦合至所述逆变器控制模块且耦合至所述电流传感器，

其中，在所述第二工作模式中，所述旁路电流幅值检测电路被配置成从所述电流传感器接收所述旁路线路中的电流的指示，并基于所述旁路线路中的电流的指示，向所述逆变器控制模块提供所述旁路线路中的电流是否大于所述阈值电平的指示。

5.根据权利要求4所述的UPS，其中，响应于所述旁路线路中的电流大于所述阈值电平的指示，所述逆变器控制模块被配置成控制所述逆变器作为电流源操作。

6.根据权利要求4所述的UPS，其中，响应于所述旁路线路中的电流小于所述阈值电平的指示，所述逆变器控制模块被配置成控制所述逆变器作为电压源操作。

7.根据权利要求4所述的UPS，其中，所述逆变器控制器还包括旁路电流方向检测电路，所述旁路电流方向检测电路耦合至所述逆变器控制模块和所述电流传感器并被配置成从所述电流传感器接收所述旁路线路中的电流的指示，并基于所述旁路线路中的电流的指示，向所述逆变器控制模块提供所述旁路线路中的电流的方向的指示。

8.根据权利要求1所述的UPS，还包括耦合至所述第一输入端、所述旁路开关和所述逆变器开关的UPS控制器，

其中，所述UPS控制器被配置成监测在所述第一输入端的交流电力，

其中，响应于确定在所述第一输入端的交流电力是可接受的，所述UPS控制器还被配置成控制所述UPS在所述第一工作模式中操作，以及

其中，响应于确定在所述第一输入端的交流电力是不可接受的，所述UPS控制器还被配置成控制所述UPS在所述第二工作模式中操作。

9.根据权利要求8所述的UPS，其中，在所述第二工作模式中，所述UPS的输出端被配置成向所述负载提供从所述备用电力获取的输出交流电力。

10.根据权利要求8所述的UPS，其中，在所述第二工作模式中，所述UPS的输出端被配置成向所述负载提供从所述输入电力获取的输出交流电力。

11.根据权利要求1所述的UPS，还包括耦合至所述旁路开关的旁路继电器保护电路，所述旁路继电器保护电路被配置成监测所述旁路线路中的电流，并响应于确定所述旁路线路中的电流在截止电平之上而阻止所述旁路开关的操作。

12.一种用于操作UPS的方法，所述UPS具有输入端、输出端、耦合至所述输入端的PFC转换器、耦合至所述PFC转换器的总线、耦合至所述总线和所述输出端的逆变器、及选择性耦合在所述输入端和所述输出端之间的旁路线路，所述方法包括：

监测从交流电源提供给所述UPS的输入端的输入交流电力；

确定提供给所述输入端的所述输入交流电力是否是可接受的；

响应于确定所述输入交流电力是可接受的，并在第一工作模式中，经由所述旁路线路向所述UPS的输出端提供所述输入交流电力；

响应于确定所述输入交流电力是不可接受的，并在第二工作模式中，切断所述输入端和所述输出端之间经由所述旁路线路的连接，使用所述PFC转换器将所述输入交流电力转换为期望水平的直流电力，从所述PFC转换器向所述总线提供所述期望水平的所述直流电力，启用所述逆变器，使用所述逆变器将来自所述总线的所述期望水平的所述直流电力转换为输出交流电力，并向所述输出端提供所述输出交流电力；

在所述第二工作模式中，监测所述旁路线路中的电流；

响应于监测，确定所述旁路线路中的电流是否超出阈值电平；并且

响应于确定所述旁路线路中的电流超出所述阈值电平，在所述第二工作模式中，操作所述逆变器以向所述UPS的输出端提供具有与所述旁路线路中的电流方向相反方向的输出电流。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括响应于确定所述旁路线路中的电流未超出所述阈值电平，操作所述逆变器以向所述UPS的输出端提供处于受控电压的所述输出交流电力。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，操作所述逆变器以向所述UPS的输出端提供所述输出交流电力包括：

从正弦波基准产生电路接收基准正弦波信号；

监测在所述逆变器的输出端的电压；并且

基于所述基准正弦波信号和所监测的在所述逆变器的输出端的电压操作所述逆变器以向所述UPS的输出端提供所述输出交流电力。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，操作所述逆变器以向所述UPS的输出端提供具有与所述旁路线路中的电流的方向相反方向的输出电流包括使所述逆变器作为电流源操作。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，使所述逆变器作为电流源操作包括：

从耦合至所述旁路线路的电流传感器接收所述旁路线路中的电流的指示；

通过方向检测电路确定所述旁路线路中的电流的方向；并且

基于所述旁路线路中的电流的方向的确定，向所述逆变器传送信号，以控制所述逆变器来提供具有与所述旁路线路中的电流的方向相反方向的输出电流。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，切断所述输入端和所述输出端之间经由所述旁路线路的连接包括打开所述旁路线路上的选择性耦合在所述输入端和所述输出端之间的旁路开关。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，启用所述逆变器包括闭合耦合在所述逆变器的输出端和所述UPS的输出端之间的逆变器开关。

19.根据权利要求12所述的方法，还包括响应于确定所述旁路线路中的电流超过截止电平，防止切断所述输入端和所述输出端之间经由所述旁路线路的连接。

20.一种不间断电源UPS，包括：

第一输入端，其被配置成耦合至交流电源并接收输入交流电力；

第二输入端，其被配置成耦合至备用电源以接收备用电力；

输出端，其被配置成耦合至负载并向所述负载提供从所述输入电力和所述备用电力中的至少一个获取的输出交流电力；

旁路线路，其经由旁路开关选择性耦合在所述第一输入端和所述输出端之间，其中，在旁路工作模式中，所述旁路开关闭合并且所述输入电力直接提供给所述输出端；

功率因数校正PFC转换器，其耦合至所述第一输入端和所述第二输入端，并且所述PFC转换器被配置成接收所述输入交流电力和所述备用电力并在在线工作模式中，基于所述输入交流电力和所述备用电力中的至少一个生成期望水平的直流电力；

总线，其耦合至所述PFC转换器并被配置成接收所述期望水平的所述直流电力；

逆变器，其包括输入端和输出端，所述逆变器的输入端耦合至所述总线并被配置成经由所述总线从所述PFC转换器接收所述期望水平的所述直流电力，所述逆变器的输出端经由逆变器开关选择性耦合至所述UPS的输出端，其中，在所述在线工作模式中，所述逆变器开关闭合，所述逆变器经由所述总线从所述PFC转换器接收所述直流电力，并且所述逆变器将来自所述PFC转换器的所述直流电力转换为所述输出交流电力；以及

用于在从所述旁路工作模式过渡到所述在线工作模式之后操作所述逆变器以迫使所述旁路线路中的电流转向的装置。