CN105474502B - 使用电流控制低损模式的ups系统和方法 - Google Patents

使用电流控制低损模式的ups系统和方法 Download PDF

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Abstract

一些实施例提供了UPS100，其包括非电流换向的固态旁路开关120。该旁路开关可以包括被配置用于控制到负载的电流的至少一个晶体管。进一步实施例提供了包括转换器的UPS，所述转换器包括具有输入端口和输出端口的第一半桥电路和具有输入端口和输出端口的第二半桥电路，所述第一半桥电路的输入端口被配置为耦合到AC电源，所述第一半桥电路的输出端口耦合到第一和第二总线，所述第二半桥电路的输出端口被配置为耦合到负载，所述第二半桥电路的输入端口耦合到所述第一和第二总线。所述UPS还包括控制电路，被配置为控制所述转换器来提供第一模式和第二模式，在所述第一模式中，所述第一半桥电路和所述第二半桥电路分别操作为整流器和逆变器，在所述第二模式中，所述第一半桥电路和所述第二半桥电路操作为从所述AC电源到所述负载的通过式开关。

Description

使用电流控制低损模式的UPS系统和方法
技术领域
本发明涉及功率转换装置和方法，并且更具体地，涉及不间断电源(UPS)装置和方法。
背景技术
UPS系统通常用于诸如数据中心、医疗中心和工业设施之类的设备中。在此类设备中，UPS系统可以用于提供后备电源以便在主动力供应故障的情况中维持运行。
随着网站服务和云计算的出现，大型数据中心已经发生扩展。一些更新型的大型数据中心占地几百万平方英尺，并容纳数十万服务器。这些中心通常由局部网格供电，可以包括包含UPS和柴油发电式后备发电机的后备电源系统，以便在公用电源丢失时支持持续运行。对于此类设施而言，功耗是一个主要关注点，因为一些设施是接近100MW级的。对于此类设施，即使是几个百分点的效率也会转换为大量开支。
已经开发了多种用于提高UPS效率的技术。例如，一些双转换UPS系统支持增效或“eco”模式，在这些模式中，当输入AC电源满足特定标准时，将整流器和逆变器(inverter)旁路。其他提高数据中心功率效率的解决方案，诸如例如在授权给Krieger等人的美国专利No.7,886,173、授权给Whitted等人的美国专利No.7,560,831，以及授权给Sarti的美国专利No.8,344,546中所描述的方案，包括冗余功率分布技术，其避免了使用传统UPS架构。
发明内容
本发明主题的一些实施例提供了不间断电源(UPS)，包括：逆变器，被配置为耦合到负载；非电流换向(non-current-commutated)的固态旁路开关，被配置为选择性地将电源耦合到负载以旁路所述逆变器；以及控制电路，被配置为控制所述逆变器和所述旁路开关。在一些实施例中，所述旁路开关包括至少一个晶体管，所述至少一个晶体管被配置为控制到负载的电流。例如，所述至少一个晶体管可以包括至少一个IGBT和/或至少一个MOSFET。
在一些实施例中，所述控制电路被配置为操作所述逆变器和所述旁路开关来提供第一模式和第二模式，在所述第一模式中，所述逆变器向所述负载提供功率，在所述第二模式中，所述旁路开关向所述负载提供功率，并且其中，所述控制电路被配置为在所述第二模式中操作所述旁路开关来控制提供给所述负载的电流的幅度。所述第二模式可以是增效模式。
在一些实施例中，UPS包括具有输入和输出的整流器，所述整流器的输入被配置为耦合到所述电源，所述整流器的输出被配置为耦合到所述逆变器的输入。所述旁路开关被配置为在所述第二模式中旁路所述整流器和所述逆变器。所述控制电路可以被配置为当所述电源满足特定标准时转换到所述第二模式。在一些实施例中，所述控制电路可以被配置为响应于所述整流器和/或所述逆变器的故障而转换到所述第二模式。
进一步实施例提供了包括转换器的UPS，所述转换器包括具有输入端口和输出端口的第一半桥电路和具有输入端口和输出端口的第二半桥电路，所述第一半桥电路的输入端口被配置为耦合到AC电源，所述第一半桥电路的输出端口耦合到第一和第二总线，所述第二半桥电路的输出端口被配置为耦合到负载，所述第二半桥电路的输入端口耦合到所述第一和第二总线。所述UPS还包括控制电路，被配置为控制所述转换器来提供第一模式和第二模式，在所述第一模式中，所述第一半桥电路和所述第二半桥电路分别操作为整流器和逆变器，在所述第二模式中，所述第一半桥电路和所述第二半桥电路操作为从所述AC电源到所述负载的通过式(pass-through)开关。
所述控制电路可以被配置为响应于所述转换器的组件的故障而转换到所述第二模式。所述第二模式可以是增效模式。所述控制电路可以被配置为在所述第二模式中操作所述转换器以控制提供给所述负载的电流的幅度。所述控制电路可以被配置为当所述电源满足特定标准时转换到所述第二模式。所述控制电路还可以被配置为控制耦合到所述第一和第二总线中至少一个总线的电容。
一些实施例提供了用于操作UPS的方法，所述UPS包括转换器，所述转换器包括具有输入端口和输出端口的第一半桥电路和具有输入端口和输出端口的第二半桥电路，所述第一半桥电路的输入端口被配置为耦合到AC电源，所述第一半桥电路的输出端口耦合到第一和第二总线，所述第二半桥电路的输出端口被配置为耦合到负载，所述第二半桥电路的输入端口耦合到所述第一和第二总线。所述方法包括：在第一模式中操作所述转换器，在所述第一模式中，所述第一半桥电路和所述第二半桥电路分别操作为整流器和逆变器；以及在第二模式中操作所述转换器，在所述第二模式中，所述第一半桥电路和所述第二半桥电路操作为从所述AC电源到所述负载的通过式开关。
附图说明
图1是图示根据一些实施例的UPS系统的示意图。
图2是图示根据一些实施例的带有晶体管化旁路电路的UPS系统。
图3是图示根据一些实施例的图2的UPS系统的操作的流程图。
图4是图示根据一些实施例的带有双模式转换器的UPS系统。
图5是图示根据进一步实施例的图4的UPS系统的操作的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的具体示例性实施例。然而，本发明可以以多种不同形式体现，且不应被解释为限制于本文所述实施例；相反地，提供这些实施例以便本公开将透彻和完整，并且将向本领域技术人员完全地传递本发明的范围。在附图中，类似的编号指代类似的元件。将会理解，当将一个元件称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其能够直接地连接到该另一元件或者耦合到该另一元件或者可以存在中间元件。本文中所使用的术语“和/或”包括相关联的所列项中一个或多个的任意以及所有组合。
本文所用术语仅用于描述具体实施例的目的，而不旨在限制本发明的范围。本文中所使用的单数形式“一个(a、an)”和“所述(the)”旨在包含多个的形式，除非明确声明是其他情况。还将理解的是，术语“包括(includes,including)”和/或“包含(comprises,comprising)”当在本申请中使用时，指示存在所声明的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或还有一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
除非定义为其他情况，否则本文所用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域技术人员的公知含义相同的含义。还将理解的是，术语(诸如在公用字典中所定义的那些)应该被解释为与在本发明和相关技术的上下文中其含义相一致的含义，并且将不以理想化或过度形式化的意义上进行解释，除非本文中明确定义如此。
本发明的一些实施例源自于以下创造性实现：很多UPS应用，希望具有由双转换配置提供的功率调节能力，但还能够在使用电源与负载之间的相对低损耗的功率传递路径的模式中运行相当长的时间。这种功率传递路径还可以用于在双转换电路故障时维持运行。在所述模式中，还希望具有电流控制和其他控制能力。在一些实施例中，所述能力可以以下创造性UPS来提供：该UPS具有晶体管化或其他非电流换向的旁路开关，该旁路开关可以用于支持电流控制旁路运行模式。在进一步实施例中，所述能力可以以下独出心裁的UPS来提供：该UPS具有灵活的转换器结构，该转换器结构能够用于提供双转换模式以及提供电流控制能力的通过式(pass-through)操作模式。
图1图示了根据一些实施例的不间断电源(UPS)100。UPS 100包括逆变器110，其被配置为耦合到负载。UPS 100可以是例如在线UPS或备用UPS，并且逆变器110可以被配置为从DC电源(诸如电池，整流器)向负载提供功率。UPS 100还包括电流调整旁路开关120，其被配置为旁路逆变器110，并且从AC电源(例如，公共电源和/或本地发电机)向负载提供功率。控制电路130被配置为控制逆变器110和旁路开关120以提供至少两种操作模式，包括第一模式和第二模式，在第一模式中，逆变器110为负载供电，在第二模式中，旁路开关120为负载供电。控制电路130还被配置为在第二模式中控制旁路开关120来调整(例如，限制)经由旁路开关120向负载提供的电流。
图2图示了根据进一步实施例的提供所述功能的在线UPS 200。UPS 200包括整流器210，其具有被配置为耦合至AC电源的输入。逆变器220的输入耦合到整流器210的输出，逆变器220的输出被配置为耦合到负载。UPS 200还包括晶体管化旁路电路230(在此图示为以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)Q1-Q4来实现)，其被配置为耦合在电源与负载之间。
控制电路240被配置为控制整流器210、逆变器220和旁路电路230以提供多种操作模式，包括双转换模式和旁路模式，在双转换模式中，经由整流器210和逆变器220将功率从电源传递至负载，在旁路模式中，经由旁路电路230在电源与负载之间传递功率。旁路模式可以用于在整流器210和/或逆变器220故障时维持负载，和/或提供与双转换模式相比增效的操作。在旁路模式中，控制电路240还可以操作开关230来调整向负载提供的电流，例如，通过调整旁路电路230的IGBT Q1-Q4。
要理解的是，整流器210、逆变器220、旁路电路230和控制电路240可以使用各种不同电子电路中的任何电子电流来实现。例如，整流器210和逆变器220可以使用功率转换器电路来实现，包括IGBT、功率MOSFET或其他电子开关器件。类似地，旁路电路230可以使用各种开关器件配置实现，诸如所图示的IGBT配置或其他类型的晶体管(诸如功率MOSFET)的功能类似的配置。整流器210、逆变器220和旁路电路230可以是单相或多相(multi-phase)。控制电路240可以包括各种不同电子元件中的任意电子元件，包括数字电路(例如，微控制器或其他处理器)和模拟电路(例如，晶体管驱动电路)。
图2所示的晶体管化旁路电路提供几个潜在优点。与传统的使用电流换向器件(例如，硅控整流器(SCR))不同的是，可以在整个AC波形上接近瞬时地操作这种晶体管化开关以提供接近瞬时的电流控制。这实现了相对高带宽的电流限制来避免短路、过载和其他情况，在这些情况中，当操作在旁路模式中时在旁路路径中可能形成高电流。该特征在使用旁路模式来实现增效操作时尤其有利。与SCR和机械开关相比，针对旁路开关使用诸如IGBT之类的功率晶体管还能够提供在制造和并行能力上优点。由于这种晶体管化旁路能够集成到UPS架构中，因此能够使用传感器和控制电路来支持双转换状况和旁路控制状况二者。
图3图示了根据一些实施例的图2的UPS 200的示例性操作。在某个给定点处，UPS200操作在双转换模式中，以调节在负载处产生的输出(方框310)。该操作模式可以在启动时发生，和/或可以由电源的状态决定，例如，在电源不满足特定标准(诸如电压幅度或波形标准)时。例如，如果电源的输入电压的波形vin落在期望限制之外，则控制电路240可以打开旁路电路230并且在双转换模式中操作整流器210和逆变器220以调节输出电压vout，从而使其满足一些标准。该状况例如可以在从本地发电机供电下操作时发生。
当控制电路240检测到整流器210和/或逆变器220的故障时，或当控制电路240检测到电源满足了允许在旁路模式中操作以提供更增效率的某些标准时，控制电路240可以闭合旁路电路230并去激活逆变器220，从而使得功率经由旁路电路230传递至负载(方框320、330)。当操作在旁路模式中时，控制电路可以监视负载电流iload来检测短路或其他错误状况。如果负载电流iload不满足特定标准，则控制电路240可以调整旁路电路230来控制(例如限制)电流。
根据进一步的实施例，通过使用提供双转换和低损耗通过式操作模式二者的转换器结构，可以在UPS中去掉旁路开关。参考图4，根据一些实施例的UPS 400可以包括转换器410，其包括由第一和第二总线418a、418b链接的第一半桥电路412和第二半桥电路414。第一半桥电路412包括耦合在第一和第二总线418a、418b之间的第一和第二IGBT Q1、Q2，并被配置为经由第一电感器L1耦合到电源。第二半桥电路414包括耦合在第一和第二总线418a、418b之间的第三和第四IGBT Q3、Q4，并被配置为经由第二电感器L2耦合到负载。储能电路416耦合到第一和第二总线418a、418b。控制电路420控制第一半桥电路412、第二半桥电路414和储能电路416。
根据一些实施例，控制电路420可以控制第一半桥电路412、第二半桥电路414和储能电路416来提供多种操作模式，包括双转换模式和通过式模式。在双转换模式中，控制电路420可以将第一半桥电路412操作为整流器，将第二半桥电路414操作为逆变器。在该模式中，例如，可以以相对高的频率(例如，若干kHz)对第一和第二半桥电路412、414的晶体管Q1-Q4脉宽调整，以提供对在总线418a、418b上产生的DC电压以及在负载处产生的AC电压vout的调节。控制电路420可以在该模式中控制储能电路来在第一和第二总线418a、418b处提供电容，其支持在总线418a、418b处的DC电压保持。例如，如图所示，储能电路416可以包括与至少一个电阻器R串联的至少一个电容器C，以及被配置为选择性地旁路所述至少一个电容器R的开关SW。在双转换模式中，开关SW可以关闭以便将所述至少一个电容器C直接耦合在总线418a、418b之间。
在通过式模式中，控制电路420可以控制第一和第二半桥电路412、414的晶体管Q1-Q4，以提供在电源和负载之间的低损耗功率传递，同时仍然提供电流控制。具体地，控制电路420可以将第一和第二半桥电路412、414的晶体管Q1-Q4置于基本上静态的“开启(on)”状态，以在电源和负载之间提供相对低损耗的路径，并且使得第一和第二总线418a、418b上的电压基本上跟随电源电压vin。在该模式中，控制电路420打开储能电路316的开关SW，以基本上消除所述至少一个电容器C的影响。在该模式中，控制电路420同样可以选择性地调整晶体管Q1-Q4来提供电流限制和其他电流控制。
在一些实施例中，该通过式模式可以用于，在电源满足特定标准时，例如，在电源电压vin在特定边界内时，提供增效操作。该通过式模式还可以用于，在转换器410无法保持双转换操作(例如，由于阻止双转换操作的组件故障)但仍支持通过式操作时保持操作。例如，如果半桥晶体管之一(例如Q1)故障，仍然可以使用剩余的桥晶体管中的两个(例如Q2和Q4)来支持通过式操作。
图5图示了根据进一步的实施例的图4的UPS 400的示例性操作。在某个给定点，UPS 400在双转换模式中操作，以调节在负载处产生的输出(方框510)。该操作模式可以在启动时发生，和/或可以由电源的状态决定，例如，在电源不满足特定标准(诸如电压幅度或波形标准)时。例如，如果电源的输入电压的幅度vin落在期望限制之外，则控制电路420可以将第一和第二半桥电路412、414分别操作为整流器和逆变器，以调节输出电压vout从而使其满足一些标准。在该模式中，控制电路420控制储能电路来提供所需电容，以支持在总线418a、418b处的DC电压。
当控制电路420检测到逆变器410的故障时，或当控制电路420检测到电源满足了允许在更增效的通过式模式中操作的特定标准时，控制电路420可以将第一和第二半桥电路412、414的操作转换为基本上静态的“开启(on)”模式，从而在电源与负载之间提供相对低损耗的路径(方框520、530)。在该模式中，控制电路420可以控制储能电路416以减小在第一和第二总线418a、418b处的电容。当在通过式模式中操作时，控制电路420可以监视负载电流iload，以检测短路或其他故障状态。如果负载电流iload不满足特定标准，则控制电路440可以调整转换器400的晶体管Q1-Q4以控制(例如，限制)电流。
应该理解的是，上述装置和操作可以有利地用于其他目的。例如，上述旁路模式和通过式模式还可以用于支持诸如发电机Walk-in模式之类的处理，例如，这些模式可以用于在UPS依靠本地发电机进行操作时支持增效或应急操作，其中双转换模式用于在启动时之后稳定输出电压，直到发电机稳定为止。
在附图和说明书中公开了本发明的多个示例性实施例。虽然使用了具体的术语，但是这些术语仅是以一般和描述的意义上使用，而非限定性目的，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (18)

1.一种不间断电源(UPS)，包括：
逆变器，被配置为耦合到负载；
非电流换向的固态旁路开关，被配置为选择性地将电源耦合到负载以旁路所述逆变器；以及
控制电路，被配置为操作所述逆变器和所述旁路开关来提供第一模式和第二模式，在所述第一模式中，所述旁路开关持续打开并且所述逆变器向所述负载提供功率，在所述第二模式中，所述逆变器不激活并且所述旁路开关向所述负载提供功率，并且其中，所述控制电路被配置为在所述第二模式中调整所述旁路开关来控制提供给所述负载的电流的幅度。
2.根据权利要求1的UPS，其中，所述旁路开关包括至少一个晶体管，所述至少一个晶体管被配置为引导到负载的电流。
3.根据权利要求2的UPS，其中，所述至少一个晶体管包括至少一个IGBT和/或至少一个MOSFET。
4.根据权利要求3的UPS，其中，所述旁路开关包括被连接来提供相反极性的至少两个IGBT。
5.根据权利要求1的UPS，其中，所述第二模式包括增效模式。
6.根据权利要求1的UPS，还包括具有输入和输出的整流器，所述整流器的输入被配置为耦合到所述电源，所述整流器的输出被配置为耦合到所述逆变器的输入，其中，所述旁路开关被配置为在所述第二模式中旁路所述整流器和所述逆变器，并且其中，所述控制电路被配置为当所述电源满足特定标准时转换到所述第二模式。
7.根据权利要求1的UPS，其中，所述控制电路被配置为响应于所述整流器和/或所述逆变器的故障而转换到所述第二模式。
8.一种UPS，包括：
转换器，包括具有输入端口和输出端口的第一半桥电路和具有输入端口和输出端口的第二半桥电路，所述第一半桥电路的输入端口被配置为耦合到AC电源，所述第一半桥电路的输出端口耦合到第一和第二总线，所述第二半桥电路的输出端口被配置为耦合到负载，所述第二半桥电路的输入端口耦合到所述第一和第二总线；以及
控制电路，被配置为控制所述转换器来提供第一模式和第二模式，在所述第一模式中，所述第一半桥电路和所述第二半桥电路分别操作为整流器和逆变器，在所述第二模式中，所述第一半桥电路和所述第二半桥电路操作为从所述AC电源到所述负载的通过式开关；
其中，所述控制电路被配置为控制耦合到所述第一和第二总线中至少一个总线的电容；
其中，所述UPS还包括：在所述第一和第二总线之间串联的电容器和电阻器，以及被配置为旁路所述电阻器的开关，并且其中，所述控制电路被配置为控制所述开关；
其中，在所述第一模式中，所述开关关闭以便将所述电容器直接耦合在第一和第二总线之间；
其中，在所述第二模式中，所述开关打开；
其中，所述开关的第一端和第二端分别与所述电阻器的第一端和第二端耦合。
9.根据权利要求8的UPS，其中，所述控制电路被配置为响应于所述转换器的组件的故障而转换到所述第二模式。
10.根据权利要求8的UPS，其中，所述第二模式包括增效模式。
11.根据权利要求8的UPS，其中，所述控制电路被配置为在所述第二模式中操作所述转换器以控制提供给所述负载的电流的幅度。
12.根据权利要求8的UPS，其中，所述控制电路被配置为当所述电源满足特定标准时转换到所述第二模式。
13.一种用于操作权利要求8所述的UPS的方法，包括：
在第一模式中操作所述转换器，其中所述第一半桥电路和所述第二半桥电路分别操作为整流器和逆变器；以及
在第二模式中操作所述转换器，其中所述第一半桥电路和所述第二半桥电路操作为从所述AC电源到所述负载的通过式开关。
14.根据权利要求13的方法，包括：响应于所述转换器的组件的故障而转换到所述第二模式。
15.根据权利要求13的方法，其中，所述第二模式包括增效模式。
16.根据权利要求13的方法，包括：在所述第二模式中操作所述转换器以控制提供给所述负载的电流的幅度。
17.根据权利要求13的方法，包括：当所述电源满足特定标准时转换到所述第二模式。
18.根据权利要求13的方法，包括：控制耦合到所述第一和第二总线中至少一个总线的电容。
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