CN106253458B - 一种不间断电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不间断电源及其控制方法，该不间断电源包括：储能单元三电平逆变电路、升压电路、第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第三开关器件、第一电容和第二电容；所述升压电路包括第一开关器件、第二开关器件、第一电感、第二电感、第一二极管以及第二二极管。该方法包括：当市电正常时，控制第二晶闸管和第三晶闸管导通，控制第一晶闸管和第三开关器件关断，控制不间断电源工作于市电运行模式；当市电异常时，控制第二晶闸管和第三晶闸管关断，控制第一晶闸管和第三开关器件导通，控制不间断电源工作于电池运行模式。本发明PN结较少，PN结损耗较小，降低成本，转换效率较高，控制电路简单，输出效率高，成本低。

Description

一种不间断电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及电源领域，特别涉及一种不间断电源及其控制方法。

背景技术

如今不间断电源（UPS）已经广泛应用与电力、金融、政府、医院、制造等各行各业中，它可以保障其所连接的设备在停电之后继续工作一段时间，保障用户不因突然停电而影响工作或丢失数据等，而且还能消除市电上如电涌、瞬间高压等“电源污染”，提供稳定、高质量的输出电压给所连接的负载。随着技术的不断发展及市场上对提升输出效率、提高功率因素、降低成本的要求也越来越高。

不间断电源核心部件或电路通常包含:整流升压、逆变、充电以及控制电路等。现今不间断电源的控制技术趋向于数字化控制、提高功率密度和效率的同时降低成本。

如图1，在现有技术中，UPS整流升压拓扑比较常用的是先整流再Boost升压，该拓扑的功率回路PN结较多，转换效率较低。

如图2，逆变拓扑根据直流母线是双母线还是单母线，可以选择半桥拓扑或全桥拓扑，还有三电平等。双母线通常选择半桥逆变拓扑：该拓扑相对三电平，输出的dv/dt大，逆变电感损耗大，效率相对低；单母线通常选择全桥拓扑，该拓扑不适用交流输入与输出共零线的应用，需增加隔离变压器，同样效率相对低。

如图3，充电拓扑较常用的是先市电整流流再反激降压，或者直接通过母线输入再做反激降压，该拓扑因带有变压器，转换效率低。

此外，从电路控制角度考虑，整流升压、逆变、充电传统的由专用电源控制芯片(如3845，3854)或模拟电路，或MCU/DSP对各个拓扑分别进行控制，控制系统复杂，集成度不高，易受外围电路众多的分立器件温漂等特性的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不间断电源及其控制方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种不间断电源，包括一储能单元、一三电平逆变电路、一升压电路、第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第三开关器件、第一电容和第二电容；所述升压电路包括第一开关器件、第二开关器件、第一电感、第二电感、第一二极管以及第二二极管；

所述第一晶闸管的阳极连接至所述储能单元的正极，所述第三开关器件的一端连接至所述储能单元的负极，所述第一晶闸管的阴极分别接至所述第二晶闸管的阴极及所述第一电感的一端，所述第二晶闸管的阳极分别接至市电输入的火线及第三晶闸管的阴极，所述第三晶闸管的阳极分别接至第三开关器件的另一端及第二电感的一端，所述第一开关器件的一端分别连至所述第一电感的另一端及所述第一二极管的阳极，所述第二开关器件的另一端分别连至所述第二电感的另一端及所述第二二极管的阴极，所述第一二极管的阴极与所述第一电容的正极相连接并连至一正母线，所述三电平逆变电路的正输入端与所述正母线相连，所述第二二极管的阳极与所述第二电容的负极相连接并连至一负母线，所述三电平逆变电路的负输入端与所述负母线相连，市电输入的零线分别接至所述第一开关器件的另一端、所述第二开关器件的一端、所述第一电容的负极、所述第二电容的正极及三电平逆变电路的中点。

在本发明一实施例中，还包括一充电电路；所述充电电路的正输入端连接至所述正母线，负输入端连接至所述负母线；所述充电电路的正输出端连接至所述储能单元正极，负输出端连接至所述储能单元负极；

所述充电电路包括：第四开关器件、第三二极管、第三电容、第三电感、第一单向导电器件以及第五开关器件；所述充电电路的正输入端为所述第四开关器件的一端；所述第四开关器件的另一端分别连接至所述第三二极管的阴极、所述第三电容的正极以及所述第一单向导电器件的阳极；所述充电电路的正输出端为所述第一单向导电器件的阴极；所述第五开关器件的一端分别连接至所述第三二极管的阳极和所述第三电感的一端；所述充电电路的负输入端为第五开关器件的另一端；所述充电电路的负输出端为所述第三电感的另一端与所述第三电容的阴极连接点。

在本发明一实施例中，所述三电平逆变电路为T型三电平逆变电路或I型三电平逆变电路。

在本发明一实施例中，所述第三开关器件为继电器或晶闸管。

在本发明一实施例中，所述第一晶闸管至所述第三晶闸管、所述三电平逆变电路、所述升压电路、所述第三开关器件的控制端均连接到一控制单元，所述控制单元采用一控制芯片。

进一步的，还提供一种不间断电源的控制方法：

当市电正常时，控制所述第二晶闸管和所述第三晶闸管导通，控制所述第一晶闸管和所述第三开关器件关断，控制所述不间断电源工作于市电运行模式；

当市电异常时，控制所述第二晶闸管和所述第三晶闸管关断，控制所述第一晶闸管和所述第三开关器件导通，控制所述不间断电源工作于电池运行模式。

在本发明一实施例中，所述不间断电源工作于市电运行模式的控制方式包括以下阶段：

当市电处于正半周期时，控制所述第二开关器件处于关断状态；第一阶段，控制所述第一开关器件处于导通状态，市电电压经过所述第二晶闸管、所述第一电感、所述第一开关器件组成的回路，对所述第一电感储存电能；第二阶段，控制所述第一开关器件处于关断状态，所述第一电感续流，市电电压经过所述第二晶闸管、所述第一电感、所述第一二极管、所述第一电容组成的回路对所述第一电容充电；

当市电处于负半周期时，控制所述第一开关器件处于关断状态；第三阶段，控制所述第二开关器件处于导通状态，市电电压经过所述第二开关器件、所述第二电感、所述第三晶闸管组成的回路给第二电感储存电能；第四阶段，控制所述第二开关器件处于关断状态，所述第二电感续流，市电电压经所述第二电容、所述第二二极管、所述第二电感和所述第三晶闸管组成的回路给所述第二电容充电。

在本发明一实施例中，所述不间断电源工作于电池运行模式的控制方式包括以下阶段：

控制所述第二开关器件处于持续导通状态，第一阶段，控制所述第一开关器件处于导通状态，所述储能单元通过储能单元正极、所述第一晶闸管、所述第一电感、所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第二电感、所述第三开关器件和储能单元负极组成的回路对所述第一电感、所述第二电感储存能量；第二阶段，控制所述第一开关器件处于关断状态，所述储能单元通过储能单元正极、所述第一晶闸管、所述第一电感、所述第一二极管、所述第一电容、所述第二开关器件、所述第二电感、所述第三开关器件和储能单元负极组成的回路对所述第一电容充电；

控制所述第一开关器件处于持续导通状态，第三阶段，控制所述第二开关器件处于导通状态，所述储能单元通过储能单元正极、所述第一晶闸管、所述第一电感、所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第二电感、所述第三开关器件和储能单元负极组成的回路对所述第一电感、所述第二电感储存能量；第四阶段，控制所述第二开关器件处于关断状态，储能单元通过储能单元正极、所述第一晶闸管、所述第一电感、所述第一开关器件、所述第二电容、所述第二二极管、所述第二电感、所述第三开关器件和储能单元负极组成的回路对第二电容充电。

在本发明一实施例中，当所述充电电路工作于市电运行模式时，所述储能单元充电控制方式包括以下阶段：

控制所述第四开关器件和所述第一单向导电器件处于导通状态，第一阶段，控制所述第五开关器件处于导通状态，电流通过所述正母线、所述第四开关器件、所述第三电容、所述第三电感、所述第五开关器件和所述负母线组成的回路对所述第三电容和所述第五开关器件储存能量，同时向所述储能单元充电；第二阶段，控制所述第五开关器件处于断开状态，电流通过第三电感、所述第三二极管和所述第三电容组成的回路，使所述第三电容和所述第三电感释放能量对所述储能单元充电。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的整流升压拓扑中的PN结较少，PN结损耗较小，降低成本，转换效率较高；

2、本发明采用的充电电路无需变压器，提高了转换效率；

3、本发明由于采用同一控制单元对各个电路进行控制，其硬件控制电路简单，较少的分立器件，故不易受温度特性的影响；集成度高，控制灵活，更改控制策略易于实现。

4、本发明的方案提升了输出效率、降低成本。

附图说明

图1为现有技术中涉及的不间断电源的整流升压拓扑。

图2为现有技术中涉及的不间断电源的逆变拓扑。

图3为现有技术中涉及的不间断电源的充电拓扑。

图4为本发明中的不间断电源电路拓扑。

图5为本发明中的不间断电源的充电电路。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

进一步的，如图4，本发明提供了一种不间断电源，包括一储能单元、一三电平逆变电路、一升压电路、第一晶闸管SCR1、第二晶闸管SCR2、第三晶闸管SCR3、第三开关器件Q3、第一电容C1和第二电容C2；升压电路包括第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2。

第一晶闸管SCR1的阳极连接至储能单元BAT的正极，第三开关器件Q3的一端连接至储能单元BAT的负极，第一晶闸管SCR1的阴极分别接至第二晶闸管SCR2的阴极及第一电感L1的一端，第二晶闸管SCR2的阳极分别接至市电输入的火线及第三晶闸管SCR3的阴极，第三晶闸管SCR3的阳极分别接至第三开关器件Q3的另一端及第二电感L2的一端，第一开关器件Q1的一端分别连至第一电感L1的另一端及第一二极管D1的阳极，第二开关器件Q2的另一端分别连至第二电感L2的另一端及第二二极管D2的阴极，第一二极管D1的阴极与第一电容C1的正极相连接并连至正母线BUS+，三电平逆变电路的正输入端与正母线BUS+相连，第二二极管D2的阳极与第二电容C2的负极相连接并连至负母线BUS-，三电平逆变电路的负输入端与负母线BUS-相连，市电输入的零线分别接至第一开关器件Q1的另一端、第二开关器件Q2的一端、第一电容C1的负极、第二电容C2的正极及三电平逆变电路的中点。

进一步的，如图5，不间断电源还包括一充电电路，充电电路的正输入端连接到正母线BUS+，充电电路的负输入端连接至负母线BUS-，充电电路的正输出端连接至储能单元BAT正极，充电电路的负输出端连接至储能单元BAT负极。

第四开关器件Q4的一端作为充电电路的正输入端，第四开关器件Q4的另一端连接至第三二极管D3的阴极、第三电容C3的正极和第一单向导电器件SD1的阳极，第一单向导电器件SD1的阴极作为充电电路的正输出端，第五开关器件Q5的一端连接至第三二极管D3的阳极和第三电感L3的一端，第五开关器件Q5的另一端作为充电电路的负输入端，第三电感L3的另一端连接至第三电容C3的阴极并作为充电电路的负输出端。

在本实施例中，第一单向导电器件SD1为晶闸管，当母线电压低于电池电压时，控制关断晶闸管SD1，防止电池通过第四开关器件Q4、第三电容C3、第五开关器件Q5的体内二极管及第三电感L3构成不控的回路，当充电电压稳定后，再控制晶闸管SD1导通。

进一步的，在本实施例中，第一开关器件Q1、第二开关器件Q2以及第五开关器件Q5的一端均为开关管的漏极或集电极，另一端为开关管的源极或发射极。

进一步的，三电平逆变电路为T型三电平逆变电路或I型三电平逆变电路。

进一步的，第三开关器件Q3为继电器或晶闸管。

进一步的，第一至第三晶闸管SCR3、三电平逆变电路、升压电路、第三开关器件Q3的控制端均连接到同一控制单元。

进一步的，在本实施例中，还提供了一种不间断电源的控制方法：

当市电正常时，控制第二晶闸管SCR2和第三晶闸管SCR3导通，控制第一晶闸管SCR1和第三开关器件Q3关断，控制不间断电源工作于市电运行模式；

当市电异常时，控制第二晶闸管SCR2和第三晶闸管SCR3关断，控制第一晶闸管SCR1和第三开关器件Q3导通，控制不间断电源工作于电池运行模式。

进一步的，不间断电源工作于市电运行模式的控制方式包括以下阶段：

当市电处于正半周期时，控制第二开关器件Q2处于关断状态；第一阶段，控制第一开关器件Q1处于导通状态，市电电压经过第二晶闸管SCR2、第一电感L1、第一开关器件Q1组成的回路对第一电感L1储存电能；第二阶段，控制第一开关器件Q1处于关断状态，第一电感L1续流，市电电压经过第二晶闸管SCR2、第一电感L1、第一二极管D1、第一电容C1组成的回路对第一电容C1充电；

当市电处于负半周期时，控制第一开关器件Q1处于关断状态；第三阶段，控制第二开关器件Q2处于导通状态，市电电压经过第二开关器件Q2、第二电感L2、第三晶闸管SCR3组成的回路给第二电感L2储存电能；第四阶段，控制第二开关器件Q2处于关断状态，第二电感L2续流，市电电压经第二电容C2、第二二极管D2、第二电感L2和第三晶闸管SCR3组成的回路给第二电容C2充电。

进一步的，不间断电源工作于电池运行模式的控制方式包括以下阶段：

控制第二开关器件Q2处于持续导通状态，第一阶段，控制第一开关器件Q1处于导通状态，储能单元BAT通过储能单元BAT正极、第一晶闸管SCR1、第一电感L1、第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第二电感L2、第三开关器件Q3和储能单元BAT负极组成的回路对第一电感L1、第二电感L2储存能量；第二阶段，控制第一开关器件Q1处于关断状态，储能单元BAT通过储能单元BAT正极、第一晶闸管SCR1、第一电感L1、第一二极管D1、第一电容C1、第二开关器件Q2、第二电感L2、第三开关器件Q3和储能单元BAT负极组成的回路对第一电容C1充电。

控制第一开关器件Q1处于持续导通状态，第三阶段，控制第二开关器件Q2处于导通状态，储能单元BAT通过储能单元BAT正极、第一晶闸管SCR1、第一电感L1、第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第二电感L2、第三开关器件Q3和储能单元BAT负极组成的回路对第一电感L1、第二电感L2储存能量；第四阶段，控制第二开关器件Q2处于关断状态，储能单元BAT通过储能单元BAT正极、第一晶闸管SCR1、第一电感L1、第一开关器件Q1、第二电容C2、第二二极管D2、第二电感L2、第三开关器件Q3和储能单元BAT负极组成的回路对第二电容C2充电。

进一步的，当充电电路工作于市电运行模式时，储能单元BAT充电控制方法包括以下阶段：

控制第四开关器件Q4和第一单向导电器件SD1处于导通状态，第一阶段，控制第五开关器件Q5处于导通状态，电流通过正母线BUS+、第四开关器件Q4、第三电容C3、第三电感L3、第五开关器件Q5和负母线BUS-组成的回路对第三电容C3和第五开关器件Q5储存能量，同时向储能单元BAT充电；第二阶段，控制第五开关器件Q5处于断开状态，电流通过第三电感L3、第三二极管D3和第三电容C3组成的回路使第三电容C3和第三电感L3释放能量对储能单元BAT充电。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种不间断电源的控制方法，其特征在于：

所述不间断电源：包括一储能单元、一三电平逆变电路、一升压电路、第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第三开关器件、第一电容和第二电容；所述升压电路包括第一开关器件、第二开关器件、第一电感、第二电感、第一二极管以及第二二极管；

所述第一晶闸管的阳极连接至所述储能单元的正极，所述第三开关器件的一端连接至所述储能单元的负极，所述第一晶闸管的阴极分别接至所述第二晶闸管的阴极及所述第一电感的一端，所述第二晶闸管的阳极分别接至市电输入的火线及第三晶闸管的阴极，所述第三晶闸管的阳极分别接至第三开关器件的另一端及第二电感的一端，所述第一开关器件的一端分别连至所述第一电感的另一端及所述第一二极管的阳极，所述第二开关器件的另一端分别连至所述第二电感的另一端及所述第二二极管的阴极，所述第一二极管的阴极与所述第一电容的正极相连接并连至一正母线，所述三电平逆变电路的正输入端与所述正母线相连，所述第二二极管的阳极与所述第二电容的负极相连接并连至一负母线，所述三电平逆变电路的负输入端与所述负母线相连，市电输入的零线分别接至所述第一开关器件的另一端、所述第二开关器件的一端、所述第一电容的负极、所述第二电容的正极及三电平逆变电路的中点；

当市电正常时，控制所述第二晶闸管和所述第三晶闸管导通，控制所述第一晶闸管和所述第三开关器件关断，控制所述不间断电源工作于市电运行模式；

当市电异常时，控制所述第二晶闸管和所述第三晶闸管关断，控制所述第一晶闸管和所述第三开关器件导通，控制所述不间断电源工作于电池运行模式；

所述不间断电源工作于电池运行模式的控制方式包括以下阶段：

控制所述第二开关器件处于持续导通状态，第一阶段，控制所述第一开关器件处于导通状态，所述储能单元通过储能单元正极、所述第一晶闸管、所述第一电感、所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第二电感、所述第三开关器件和储能单元负极组成的回路对所述第一电感、所述第二电感储存能量；第二阶段，控制所述第一开关器件处于关断状态，所述储能单元通过储能单元正极、所述第一晶闸管、所述第一电感、所述第一二极管、所述第一电容、所述第二开关器件、所述第二电感、所述第三开关器件和储能单元负极组成的回路对所述第一电容充电；

控制所述第一开关器件处于持续导通状态，第三阶段，控制所述第二开关器件处于导通状态，所述储能单元通过储能单元正极、所述第一晶闸管、所述第一电感、所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第二电感、所述第三开关器件和储能单元负极组成的回路对所述第一电感、所述第二电感储存能量；第四阶段，控制所述第二开关器件处于关断状态，储能单元通过储能单元正极、所述第一晶闸管、所述第一电感、所述第一开关器件、所述第二电容、所述第二二极管、所述第二电感、所述第三开关器件和储能单元负极组成的回路对第二电容充电；

当所述充电电路工作于市电运行模式时，所述储能单元充电控制方式包括以下阶段：

控制第四开关器件和第一单向导电器件处于导通状态，第一阶段，控制第五开关器件处于导通状态，电流通过正母线、第四开关器件、第三电容、第三电感、所述第五开关器件和负母线组成的回路对所述第三电容和所述第五开关器件储存能量，同时向所述储能单元充电；第二阶段，控制所述第五开关器件处于断开状态，电流通过第三电感、第三二极管和所述第三电容组成的回路，使所述第三电容和所述第三电感释放能量对所述储能单元充电。

2.根据权利要求1所述的一种不间断电源的控制方法，其特征在于，所述不间断电源工作于市电运行模式的控制方式包括以下阶段：

当市电处于正半周期时，控制所述第二开关器件处于关断状态；第一阶段，控制所述第一开关器件处于导通状态，市电电压经过所述第二晶闸管、所述第一电感、所述第一开关器件组成的回路，对所述第一电感储存电能；第二阶段，控制所述第一开关器件处于关断状态，所述第一电感续流，市电电压经过所述第二晶闸管、所述第一电感、所述第一二极管、所述第一电容组成的回路对所述第一电容充电；

当市电处于负半周期时，控制所述第一开关器件处于关断状态；第三阶段，控制所述第二开关器件处于导通状态，市电电压经过所述第二开关器件、所述第二电感、所述第三晶闸管组成的回路给第二电感储存电能；第四阶段，控制所述第二开关器件处于关断状态，所述第二电感续流，市电电压经所述第二电容、所述第二二极管、所述第二电感和所述第三晶闸管组成的回路给所述第二电容充电。

3.根据权利要求1所述的一种不间断电源的控制方法，其特征在于，还包括一充电电路；所述充电电路的正输入端连接至所述正母线，负输入端连接至所述负母线；所述充电电路的正输出端连接至所述储能单元正极，负输出端连接至所述储能单元负极；

所述充电电路包括：第四开关器件、第三二极管、第三电容、第三电感、第一单向导电器件以及第五开关器件；所述充电电路的正输入端为所述第四开关器件的一端；所述第四开关器件的另一端分别连接至所述第三二极管的阴极、所述第三电容的正极以及所述第一单向导电器件的阳极；所述充电电路的正输出端为所述第一单向导电器件的阴极；所述第五开关器件的一端分别连接至所述第三二极管的阳极和所述第三电感的一端；所述充电电路的负输入端为第五开关器件的另一端；所述充电电路的负输出端为所述第三电感的另一端与所述第三电容的阴极连接点。

4.根据权利要求1所述的一种不间断电源的控制方法，其特征在于，所述三电平逆变电路为T型三电平逆变电路或I型三电平逆变电路。

5.根据权利要求1所述的一种不间断电源的控制方法，其特征在于，所述第三开关器件为继电器或晶闸管。

6.根据权利要求1所述的一种不间断电源的控制方法，其特征在于，所述第一晶闸管至所述第三晶闸管、所述三电平逆变电路、所述升压电路、所述第三开关器件的控制端均连接到一控制单元，所述控制单元采用一控制芯片。