CN107332341A - 直流ups电源装置以及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种直流UPS电源装置以及系统，涉及电力电子技术领域，直流UPS电源装置包括交流输入电路、直流输出电路与电池充放电路；交流输入电路通过一个变压器与直流输出电路以及电池充放电路耦合连接；在交流输入电路有电流输入时交流输入电路通过变压器向直流输出电路与电池充放电路传递能量；在交流输入电路没有电流输入时电池充放电路通过变压器向直流输出电路传递能量，解决了现有技术中存在的直流不间断电源(Uninterruptible Power System，简称UPS)的常规装置需要2至3个高频变换器，放电时需要经过两级隔离变换到输出，所以电路变换器较多使逻辑时序控制复杂，造成放电效率降低的技术问题。

Description

直流UPS电源装置以及系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种直流UPS电源装置以及系统。
背景技术
不间断电源(Uninterruptible Power System，简称UPS)是将铅酸免维护等蓄电池与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。
目前，直流UPS广泛应用于直流不间断供电场所，交流供电时，装置为负荷提供稳定的直流输出，同时给电池充电；当市电故障时，能够自动通过蓄电池放电，不间断输出直流电。直流UPS的常规电路设计是：交流输入经滤波器、功率因数校正单元输出高压直流，如果电池电压较低，母线与电池之间需要通过变压器实现升降压及电气隔离，输入一般需与直流输出电气隔离，故主变换器也需要采取高频隔离变换，若充放电变换器不能够实现双向控制，则需要两个独立的高频隔离变换器实现充电及放电功能。
因此，整个直流UPS的常规装置需要2至3个高频变换器，而且放电时需要经过两级隔离变换到输出，所以电路变换器较多，使逻辑时序控制复杂，造成放电效率降低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直流UPS电源装置以及系统，以解决现有技术中存在的直流UPS的常规装置需要2至3个高频变换器，而且放电时需要经过两级隔离变换到输出，所以电路变换器较多，使逻辑时序控制复杂，造成放电效率降低的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种直流UPS电源装置，包括：交流输入电路、直流输出电路以及电池充放电路；
所述交流输入电路通过一个变压器与所述直流输出电路以及所述电池充放电路耦合连接；
在所述交流输入电路有电流输入时，所述交流输入电路通过所述变压器向所述直流输出电路与所述电池充放电路传递能量；
在所述交流输入电路没有电流输入时，所述电池充放电路通过所述变压器向所述直流输出电路传递能量。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述交流输入电路包括功率因数校正电路、直流母线、直流侧电容以及谐振转换电路；
在所述交流输入电路有电流输入时，交流电经所述功率因数校正电路转换为直流电，所述直流电经所述直流母线输入至所述直流侧电容与所述谐振转换电路。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述谐振转换电路包括：第一开关管、第二开关管、继电器、谐振电感、谐振电容以及绕组；
在所述交流输入电路有电流输入时，所述继电器闭合，所述第一开关管与所述第二开关管轮流导通，所述谐振电感、所述谐振电容与所述绕组串联，所述绕组为所述变压器的初级绕组。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，在所述交流输入电路没有电流输入时，所述继电器、所述第一开关管与所述第二开关管关断，所述绕组为开路状态。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述谐振转换电路包括：半桥谐振转换电路或全桥谐振转换电路。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述电池充放电路包括双向升降压电路与整流电路；
在所述交流输入电路有电流输入时，所述整流电路为次级整流电路，所述双向升降压电路转变为降压变换电路，所述电池充放电路向电池进行充电。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，在所述交流输入电路没有电流输入时，所述双向升降压电路为升压变换电路，所述整流电路为初级推挽电路，所述初级推挽电路向所述直流输出电路传输电量。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述整流电路包括：全波同步整流电路或桥式整流电路。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述直流输出电路包括：次级倍压同步整流电路、次级桥式整流电路与次级非同步整流电路中的一种。
第二方面，本发明实施例还提供一种直流UPS电源系统，包括：充电电池、负载、交流电源以及如第一方面的直流UPS电源装置；
交流电源用于向所述直流UPS电源装置中的交流输入电路输入交流电；
所述直流UPS电源装置中的直流输出电路用于向负载供电；
所述直流UPS电源装置中的电池充放电路用于向充电电池充电。
本发明实施例提供的技术方案带来了以下有益效果：本发明实施例提供的直流UPS电源装置以及系统中，直流UPS电源装置包括电池充放电路、交流输入电路与直流输出电路，交流输入电路通过一个变压器与直流输出电路以及电池充放电路耦合连接，在交流输入电路有电流输入时，交流输入电路通过变压器向直流输出电路与电池充放电路传递能量，而在交流输入电路没有电流输入时，电池充放电路通过变压器向直流输出电路传递能量，通过直流UPS装置内的一个高频隔离变压器，利用电力电子双向变换及控制技术，同时实现交流输入与电池、输出之间，电池与输出之间的能量传递，通过一个高频变压器实现多个变换器的复用，从而解决了现有技术中存在的直流UPS的常规装置需要2至3个高频变换器，而且放电时需要经过两级隔离变换到输出，所以电路变换器较多，使逻辑时序控制复杂，造成放电效率降低的技术问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的直流UPS电源装置的结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的直流UPS电源装置中，交流输入电路的具体结构示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的直流UPS电源装置中，电池充放电路的具体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的直流UPS电源装置的另一结构示意图；
图5为本发明实施例提供的直流UPS电源系统的结构示意图。
图标：1-直流UPS电源装置；11-交流输入电路；12-直流输出电路；13-电池充放电路；111-功率因数校正电路；112-直流母线；113-直流侧电容；114-谐振转换电路；131-双向升降压电路；132-整流电路；2-直流UPS电源系统；21-充电电池；22-负载；23-交流电源。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前直流UPS的常规装置需要2至3个高频变换器，而且放电时需要经过两级隔离变换到输出，所以电路变换器较多，使逻辑时序控制复杂，造成放电效率降低，基于此，本发明实施例提供的一种直流UPS电源装置以及系统，可以解决现有技术中存在的直流UPS的常规装置需要2至3个高频变换器，而且放电时需要经过两级隔离变换到输出，所以电路变换器较多，使逻辑时序控制复杂，造成放电效率降低的技术问题。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种直流UPS电源装置以及系统进行详细介绍。
实施例一：
本发明实施例提供的一种直流UPS电源装置，如图1所示，直流UPS电源装置1包括：交流输入电路11、直流输出电路12以及电池充放电路13。
具体的，交流输入电路11通过一个变压器与直流输出电路12以及电池充放电路13耦合连接：在交流输入电路11有电流输入时，交流输入电路11通过变压器向直流输出电路12与电池充放电路13传递能量；在交流输入电路11没有电流输入时，电池充放电路13通过变压器向直流输出电路12传递能量。
如图2所示，交流输入电路11包括功率因数校正电路111、直流母线112、直流侧电容113以及谐振转换电路114。在交流输入电路11有电流输入时，交流电经功率因数校正电路111转换为直流电，直流电经直流母线112输入至直流侧电容113与谐振转换电路114。
如图3所示，电池充放电路13包括双向升降压电路131与整流电路132：在交流输入电路11有电流输入时，整流电路132为次级整流电路，双向升降压电路131转变为降压变换电路，电池充放电路13向电池进行充电；在交流输入电路11没有电流输入时，双向升降压电路131为升压变换电路，整流电路132为初级推挽电路，初级推挽电路向直流输出电路12传输电量。
作为一个优选方案，如图4所示，谐振转换电路114包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、继电器K1、谐振电感Lr、谐振电容Cr以及绕组Np：在交流输入电路11有电流输入时，继电器K1闭合，第一开关管Q1与第二开关管Q2轮流导通，谐振电感Lr、谐振电容Cr与绕组Np串联，绕组Np为变压器的初级绕组；在交流输入电路11没有电流输入时，继电器K1、第一开关管Q1与第二开关管Q2关断，绕组Np为开路状态。
其中，谐振转换电路114可以包括：半桥谐振转换电路或全桥谐振转换电路。同样的，整流电路132可以包括：全波同步整流电路或桥式整流 电路。直流输出电路12可以包括：次级倍压同步整流电路、次级桥式整流电路与次级非同步整流电路中的一种。交流输入的功率因数校正电路111也可以是交流输入的功率因数校正单元。
如图4所示，交流AC输入有源功率因数校正(Active Power Factor Correction,简称APFC)电路输出高压直流，其高压直流电约为380V。因此，交流电经APFC电路输出至直流母线Bus、直流侧电容C1。合上继电器K1，则开关管Q1、开关管Q2、谐振电感Lr、谐振电容Cr以及变压器初级绕组Np构成了半桥谐振(一个电感与两个电容串联，简称LLC谐振)转换电路。
作为本实施例的优选实施方式，如图4所示，变压器次级绕组Ns1、开关管Q3、开关管Q4、金属膜电容C2、金属膜电容C3以及电解电容Co1构成次级倍压同步整流电路，Vo为直流输出。
如图4所示，变压器次级绕组Ns2、变压器次级绕组Ns3、开关管Q5、开关管Q6以及电解电容Co2构成了次级全波同步整流电路。电解电容Co2、开关管Q7、开关管Q8、电感以及电解电容Co3构成双向降压/升压电路，Co3输出给电池充电。
在交流电正常时，直流母线112经LLC谐振转换电路变换通过变压器磁芯T同时给输出及电池传递能量，C2与C3为金属膜电容，容值比Cr大一个数量级左右，绕组Ns1与Np耦合产生的漏感相比谐振电感Lr可以忽略不计，故绕组Ns1及其整流的参数折算到初级，对初级谐振参数影响非常小，初级固有谐振频率电压环反馈取Vo，通过调频控制实现输出稳压。由于LLC谐振转换电路在次级整流时绕组电压被输出电压箝位，绕组Ns2与绕组Ns3相等，则Co2经降压式变换电路变换给电池进行恒流恒压Bat充电。
在交流失电时，断开继电器K1，开关管Q1与开关管Q2关断，绕组Np开路，电解电容Co1、电解电容Co2、电解电容Co3电压开始下降，Ns2与Ns3构成变压器初级，绕组Ns1为次级，降压式变换器转换为升压式变换器的工作模式，绕组Ns2、绕组Ns3、开关管Q5、开关管Q6以及电解电容Co2构成推挽初级电路。绕组Ns1、开关管Q3、开关管Q4、金属膜电容C2、金属膜电容C3以及电解电容Co1构成次级倍压同步整流电路，且Ns1、Ns2与Ns3耦合产生的漏感Ls与金属膜电容C2、金属膜电容C3产生电感电容谐振，则次级固有谐振频率开关管Q3、Q4、Q5、Q6的开关频率恒定工作在fr2处，谐振回路增益接近1，推挽初次级开关管均工作在零电流开通及关断软开关状态，通过控制升压变换器占空比(Duty Ratio)调节推挽输入电压，从而控制输出电压，输出降压与升压工作模式的切换只需要调节占空比就能实现，输出Vo采用LLC谐振转换电路变频控制与升压变换器的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)控制构成电压双闭环控制，即可实现直流输出的不间断供电。
需要说明的是，半桥LLC谐振也可以设计成全桥LLC谐振电路，绕组Ns1后端的整流电路也可以设计成桥式整流或采用非同步整流方式，绕组Ns2、Ns3后端的整流电路也可采用桥式电路。
本实施例中，在本实施例提供的直流UPS装置中，仅需设计一个高频隔离变压器，采用电力电子双向变换及控制技术，能够同时实现交流输入与电池、输出之间，电池与输出之间的能量传递，使一个高频变压器实现多个变换器的复用。因此，通过直流UPS装置1可以达到减少变换器数量的效果，从而实现降低装置成本，减小装置体积、提高后备供电效率和电 源功率密度等效果，同时还能够提高工作效率，减少电路，降低器件及装置的成本。
实施例二：
本发明实施例提供的一种直流UPS电源系统，如图5所示，直流UPS电源系统2包括：充电电池21、负载22、交流电源23及上述实施例一提供的直流UPS电源装置。
进一步的是，交流电源23用于向直流UPS电源装置1中的交流输入电路12输入交流电，直流UPS电源装置1中的直流输出电路12用于向负载22供电，直流UPS电源装置1中的电池充放电路13用于向充电电池21充电。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
本发明实施例提供的直流UPS电源系统，与上述实施例提供的直流UPS电源装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种直流UPS电源装置，其特征在于，包括：交流输入电路、直流输出电路以及电池充放电路；
所述交流输入电路通过一个变压器与所述直流输出电路以及所述电池充放电路耦合连接；
在所述交流输入电路有电流输入时，所述交流输入电路通过所述变压器向所述直流输出电路与所述电池充放电路传递能量；
在所述交流输入电路没有电流输入时，所述电池充放电路通过所述变压器向所述直流输出电路传递能量。
2.根据权利要求1所述的直流UPS电源装置，其特征在于，所述交流输入电路包括功率因数校正电路、直流母线、直流侧电容以及谐振转换电路；
在所述交流输入电路有电流输入时，交流电经所述功率因数校正电路转换为直流电，所述直流电经所述直流母线输入至所述直流侧电容与所述谐振转换电路。
3.根据权利要求2所述的直流UPS电源装置，其特征在于，所述谐振转换电路包括：第一开关管、第二开关管、继电器、谐振电感、谐振电容以及绕组；
在所述交流输入电路有电流输入时，所述继电器闭合，所述第一开关管与所述第二开关管轮流导通，所述谐振电感、所述谐振电容与所述绕组串联，所述绕组为所述变压器的初级绕组。
4.根据权利要求3所述的直流UPS电源装置，其特征在于，在所述交流输入电路没有电流输入时，所述继电器、所述第一开关管与所述第二开关管关断，所述绕组为开路状态。
5.根据权利要求2所述的直流UPS电源装置，其特征在于，所述谐振转换电路包括：半桥谐振转换电路或全桥谐振转换电路。
6.根据权利要求1所述的直流UPS电源装置，其特征在于，所述电池充放电路包括双向升降压电路与整流电路；
在所述交流输入电路有电流输入时，所述整流电路为次级整流电路，所述双向升降压电路转变为降压变换电路，所述电池充放电路向电池进行充电。
7.根据权利要求6所述的直流UPS电源装置，其特征在于，在所述交流输入电路没有电流输入时，所述双向升降压电路为升压变换电路，所述整流电路为初级推挽电路，所述初级推挽电路向所述直流输出电路传输电量。
8.根据权利要求6所述的直流UPS电源装置，其特征在于，所述整流电路包括：全波同步整流电路或桥式整流电路。
9.根据权利要求1所述的直流UPS电源装置，其特征在于，所述直流输出电路包括：次级倍压同步整流电路、次级桥式整流电路与次级非同步整流电路中的一种。
10.一种直流UPS电源系统，其特征在于，包括：充电电池、负载、交流电源以及如权利要求1-9任一项所述的直流UPS电源装置；
交流电源用于向所述直流UPS电源装置中的交流输入电路输入交流电；
所述直流UPS电源装置中的直流输出电路用于向负载供电；
所述直流UPS电源装置中的电池充放电路用于向充电电池充电。
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