CN108832710A - 用于不间断电源的充放电平衡变换器 - Google Patents

用于不间断电源的充放电平衡变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于不间断电源的充放电平衡变换器，所述不间断电源包括正直流母线、负直流母线、第一电容和第二电容，其中所述充放电平衡变换器包括：具有反向并联的二极管的第一开关管和具有反向并联的二极管的第二开关管，所述第一开关管和第二开关管依次连接在所述正直流母线和负直流母线之间且相连接形成节点；电感、第一开关和可控单向导电装置，所述电感的一端连接至所述节点，所述电感的另一端依次通过所述第一开关和可控单向导电装置连接至所述正直流母线；以及第二开关，所述第二开关连接在所述电感的另一端与所述第一电容和第二电容相连接形成的中间节点之间。本发明的充放电平衡变换器中的元器件数量少，体积小、成本低。

Description

用于不间断电源的充放电平衡变换器
技术领域
本发明涉及电子线路，具体涉及用于不间断电源的充放电平衡变换器。
背景技术
不间断电源能够持续不断地给负载进行供电，已经被广泛地用于各个领域。
图1是现有技术的一种不间断电源的框图。如图1所示，旁路输入端Bin通过静态转换开关11连接至交流输出端ACout，市电输入端ACin依次通过整流升压变换器12和逆变器13连接至交流输出端ACout，可充电电池14通过DC/DC变换器15连接至正直流母线171和负直流母线172，充电器16能够利用正直流母线171和负直流母线172上的电能对可充电电池14进行充电。不间断电源1还包括连接在正直流母线171和负直流母线172之间的平衡电路18，当DC/DC变换器工作时，平衡电路18用于平衡正直流母线171和负直流母线172上的电压，即使得正直流母线171上的电压值等于负直流母线172上的电压的绝对值。
对于大功率的不间断电源而言，DC/DC变换器15和充电器16的体积大、成本高。如果将DC/DC变换器15和充电器16从不间断电源1中移除以减小其体积和成本，此时可充电电池14直接连接在正直流母线171和负直流母线172之间。由于没有DC/DC变换器15的隔离作用，为了降低充电纹波电流和纹波电压，需要在正直流母线171和负直流母线172之间连接大量的电容，甚至还需要在可充电电池14的正极和负极上连接滤波电感。这反而增加了不间断电源1的成本和体积。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的实施例提供了一种用于不间断电源的充放电平衡变换器，所述不间断电源包括正直流母线、负直流母线以及连接在所述正直流母线和负直流母线之间的第一电容和第二电容，其中所述充放电平衡变换器包括：
具有反向并联的二极管的第一开关管和具有反向并联的二极管的第二开关管，所述第一开关管和第二开关管依次连接在所述正直流母线和负直流母线之间且相连接形成节点；
电感、第一开关和可控单向导电装置，所述电感的一端连接至所述节点，所述电感的另一端依次通过所述第一开关和可控单向导电装置连接至所述正直流母线；以及
第二开关，所述第二开关连接在所述电感的另一端与所述第一电容和第二电容相连接形成的中间节点之间。
优选的，所述可控单向导电装置是晶闸管。
优选的，所述可控单向导电装置是串联的第三开关和二极管。
优选的，所述可控单向导电装置包括：
二极管，其阳极连接至所述第一开关，其阴极连接至所述正直流母线；
第四开关，其一端连接至所述二极管的阳极，其另一端连接至所述不间断电源中的可充电电池的正极。
优选的，还包括控制装置，其用于控制所述第一开关、第二开关和可控单向导电装置的导通状态，以及控制所述第一开关管和第二开关管的工作模式。
优选的，在所述正直流母线和负直流母线之间的电压从零升高至不高于所述不间断电源的可充电电池的电压过程中，所述控制装置用于控制所述第一开关、第二开关和可控单向导电装置断开，并且控制所述第一开关管和第二开关管处于截止状态；且当所述正直流母线和负直流母线之间的电压升高至高于所述可充电电池的电压时，所述控制装置用于控制所述可控单向导电装置使其在承受正向电压时处于导通状态。
优选的，当所述不间断电源的市电输入端具有市电，所述不间断电源中的可充电电池的电压小于预定的电压，且所述正直流母线和负直流母线之间的电压为目标电压时，所述控制装置用于：控制所述第一开关导通、第二开关断开，并且给所述第一开关管提供脉宽调制信号，控制所述第二开关管处于截止状态。
优选的，所述控制装置还用于控制所述可控单向导电装置使其在承受正向电压时处于导通状态。
优选的，当所述不间断电源的市电输入端具有市电，所述不间断电源中的可充电电池的电压达到预定的电压，且所述正直流母线和负直流母线之间的电压为目标电压时，所述控制装置用于：控制所述第一开关和第二开关中的一个断开、另一个导通，且控制所述第一开关管和第二开关管处于截止状态。
优选的，所述控制装置还用于控制所述可控单向导电装置使其在承受正向电压时处于导通状态。
优选的，所述第一开关断开，所述第二开关导通。
优选的，当所述不间断电源的市电输入端不具有市电时，所述控制装置用于：控制所述第一开关断开、第二开关导通，控制所述可控单向导电装置使其在承受正向电压时处于导通状态，并且给所述第一开关管和第二开关管提供占空比相同的脉宽调制信号，使得所述第一开关管和第二开关管交替导通。
优选的，在所述不间断电源的市电输入端从不具有市电切换为具有市电之后，且当所述正直流母线和负直流母线之间的电压高于所述不间断电源的可充电电池的电压时，所述控制装置用于：控制所述第一开关导通、第二开关断开，并且给所述第一开关管提供脉宽调制信号，控制所述第二开关管处于截止状态。
本发明的充放电平衡变换器中的元器件数量少，体积小、成本低，且无需在正负直流母线之间连接大电容来抑制纹波电流和纹波电压。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是现有技术的一种不间断电源的框图。
图2是根据本发明的第一个实施例的用于不间断电源的充放电平衡变换器的电路图。
图3是图2所示的充放电平衡变换器处于充电模式的等效电路图。
图4是图2所示的充放电平衡变换器处于休眠模式的等效电路图。
图5是图2所示的充放电平衡变换器处于放电模式的等效电路图。
图6是根据本发明第二个实施例的用于不间断电源的充放电平衡变换器的电路图。
图7是根据本发明第三个实施例的用于不间断电源的充放电平衡变换器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图2是根据本发明的第一个实施例的用于不间断电源的充放电平衡变换器的电路图。如图2所示，充放电平衡变换器20包括具有反向并联的二极管D1的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)T1、具有反向并联的二极管D2的IGBT T2、电感L、第一开关S1、第二开关S2和晶闸管SCR。其中IGBT T1和IGBT T2依次连接在正直流母线271和负直流母线272之间，且IGBT T1和IGBT T2相连接形成节点N。电感L的一端连接至节点N，其另一端依次通过第一开关S1和晶闸管SCR连接至正直流母线271，且其另一端还通过第二开关S2连接至电容C1和电容C2相连接形成的中间节点上。另外，可充电电池B的负极连接至负直流母线272，其正极通过晶闸管SCR连接至正直流母线271。
在市电输入端ACin的市电供电的起始阶段，此时正、负直流母线271、272之间的电压为零，且小于可充电电池B的电压，控制晶闸管SCR处于断开状态(即不给晶闸管SCR的门极提供电压)、控制第一开关S1和第二开关S2断开，控制IGBT T1和IGBT T2处于截止状态。市电通过整流升压变换器22对正、负直流母线271、272之间的电容C1和电容C2进行充电，使得正、负直流母线271、272之间的电压逐渐升高为市电的波峰和波谷的电压差，完成预充电过程。随后控制整流升压变换器22工作以使得正、负直流母线271、272之间的电压继续升高，其中当正、负直流母线271、272之间的电压升高至高于可充电电池B的电压时，给晶闸管SCR的门极提供电压，最终使得正、负直流母线271、272之间的电压升高到目标电压，其中该目标电压高于可充电电池B的电压。之后控制逆变器23工作以输出所需的交流电。
以下将结合图3-5说明充放电平衡变换器20的工作原理。
在正、负直流母线271、272之间的电压升压到目标电压后，可以通过控制充放电平衡变换器20处于充电模式以对可充电电池B进行充电。图3是图2所示的充放电平衡变换器处于充电模式的等效电路图。如图3所示，控制装置200控制第一开关S1导通、第二开关S2断开，给晶闸管SCR的门极提供电压，给IGBT T1提供脉宽调制信号，且控制IGBT T2处于截止状态，此时IGBT T1、电感L和二极管D2构成了一个降压变换器(或称Buck电路)。该Buck电路利用电容C1和电容C2上的电能对可充电电池B进行降压充电。其中在充电模式中，整流升压变换器22的控制方式和Buck电路的控制方式相互独立，因此可以采用现有的控制方法来控制Buck电路工作以对可充电电池B进行降压充电，并不会增加控制方法的复杂度。
在充电模式下，由于给IGBT T1提供的是高频(例如几十千赫兹)的脉宽调制信号，电感L能够很好抑制高频纹波电压和纹波电流，无需在正、负直流母线271、272之间连接大量的电容。
如果可充电电池B的电压达到预定的电压后停止对其充电，此时控制充放电平衡变换器使其处于休眠模式。图4是图2所示的充放电平衡变换器处于休眠模式的等效电路图。如图4所示，控制装置200控制第一开关S1断开、第二开关S2导通、给晶闸管SCR的门极提供电压；且控制IGBT T1和IGBT T2处于截止状态。由于正直流母线271上的电压大于可充电电池B的电压，晶闸管SCR承受反向阳极电压，因此其处于反向阻断状态，此时可充电电池B既不会被充电、也不会放电。
在本发明的其他实施例中，控制装置200也可以控制第一开关S1导通、第二开关S2断开。
图5是图2所示的充放电平衡变换器处于电池放电模式下的等效电路图。如图5所示，控制装置200控制第一开关S1断开、第二开关S2导通、晶闸管SCR导通(即给晶闸管SCR的门极提供电压)，此时可充电电池B通过导通的晶闸管SCR连接至正、负直流母线271、272之间，用于给电容C1和电容C2进行供电，其中可充电电池B两端的电压高于逆变器23的输出电压的波峰和波谷的电压差。此时IGBT T1、IGBT T2、电感L和导通的第二开关S2构成了一个平衡电路。给IGBT T1和IGBT T2提供占空比相同的脉宽调制信号，且使得IGBT T1和IGBTT2交替导通，从而平衡正直流母线271和负直流母线272上的电压。
当市电输入端ACin从不具有市电切换为具有市电时，此时控制整流升压变换器22工作，以将正、负直流母线271、272之间的电压升高至高于可充电电池B的电压。然后，控制第一开关S1导通、第二开关S2断开，给IGBT T1提供脉宽调制信号，且控制IGBT T2处于截止状态，从而对可充电电池B进行降压充电。
在充电模式和休眠模式下给晶闸管SCR的门极提供电压使其在承受正向电压时处于导通状态，其优点在于：当市电输入端ACin出现故障时，晶闸管SCR承受正向阳极电压后立刻处于导通状态，可充电电池B通过导通的晶闸管SCR能够立刻给电容C1、C2进行供电，相比于检测到市电异常后再导通晶闸管SCR，本发明避免了检测造成的延时。
在休眠模式下控制第二开关S2导通的优点在于：IGBT T1、IGBT T2、电感L和导通的第二开关S2已经构成了一个平衡电路，该平衡电路能够随时准备在放电模式中用于平衡正直流母线271和负直流母线272上的电压，避免了启动放电模式时第二开关S2的闭合动作延时。
采用本实施例的充放电平衡变换器20，不间断电源能够省去体积大、价格高的DC/DC变换器15和充电器16。
另外，平衡电路中的IGBT T1、电感L和二极管D2形成的Buck电路在充电模式下能够对可充电电池B进行降压充电。通过复用IGBT T1、电感L和二极管D2，使得充放电平衡变换器20具有较少的元器件、体积小、成本低。
图6是根据本发明第二个实施例的用于不间断电源的充放电平衡变换器的电路图。如图6所示，充放电平衡变换器30与图2所示的充放电平衡变换器20基本相同，区别在于，采用串联的第三开关S3和二极管D3构成的可控单向导电装置代替晶闸管SCR。其中在预充电过程中，控制第三开关S3断开；在充电模式、休眠模式和放电模式下，控制第三开关S3导通。
图7是根据本发明第三个实施例的用于不间断电源的充放电平衡变换器的电路图。如图7所示，充放电平衡变换器40与图6所示的充放电平衡变换器30基本相同，区别在于，第四开关S4连接在二极管D4的阳极和可充电电池B的正极之间，二极管D4的阴极连接至正直流母线471。第四开关S4的控制方式与第三开关S3完全相同，在此不再赘述。
在本发明的其他实施例中，采用金氧半场效应晶体管代替上述实施例中的IGBT。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (13)

1.一种用于不间断电源的充放电平衡变换器，所述不间断电源包括正直流母线、负直流母线以及连接在所述正直流母线和负直流母线之间的第一电容和第二电容，其中所述充放电平衡变换器包括：
具有反向并联的二极管的第一开关管和具有反向并联的二极管的第二开关管，所述第一开关管和第二开关管依次连接在所述正直流母线和负直流母线之间且相连接形成节点；
电感、第一开关和可控单向导电装置，所述电感的一端连接至所述节点，所述电感的另一端依次通过所述第一开关和可控单向导电装置连接至所述正直流母线；以及
第二开关，所述第二开关连接在所述电感的另一端与所述第一电容和第二电容相连接形成的中间节点之间。
2.根据权利要求1所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，所述可控单向导电装置是晶闸管。
3.根据权利要求1所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，所述可控单向导电装置是串联的第三开关和二极管。
4.根据权利要求1所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，所述可控单向导电装置包括：
二极管，其阳极连接至所述第一开关，其阴极连接至所述正直流母线；
第四开关，其一端连接至所述二极管的阳极，其另一端连接至所述不间断电源中的可充电电池的正极。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，还包括控制装置，其用于控制所述第一开关、第二开关和可控单向导电装置的导通状态，以及控制所述第一开关管和第二开关管的工作模式。
6.根据权利要求5所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，在所述正直流母线和负直流母线之间的电压从零升高至不高于所述不间断电源的可充电电池的电压过程中，所述控制装置用于控制所述第一开关、第二开关和可控单向导电装置断开，并且控制所述第一开关管和第二开关管处于截止状态；且当所述正直流母线和负直流母线之间的电压升高至高于所述可充电电池的电压时，所述控制装置用于控制所述可控单向导电装置使其在承受正向电压时处于导通状态。
7.根据权利要求5所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，当所述不间断电源的市电输入端具有市电，所述不间断电源中的可充电电池的电压小于预定的电压，且所述正直流母线和负直流母线之间的电压为目标电压时，所述控制装置用于：控制所述第一开关导通、第二开关断开，并且给所述第一开关管提供脉宽调制信号，控制所述第二开关管处于截止状态。
8.根据权利要求7所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，所述控制装置还用于控制所述可控单向导电装置使其在承受正向电压时处于导通状态。
9.根据权利要求5所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，当所述不间断电源的市电输入端具有市电，所述不间断电源中的可充电电池的电压达到预定的电压，且所述正直流母线和负直流母线之间的电压为目标电压时，所述控制装置用于：控制所述第一开关和第二开关中的一个断开、另一个导通，且控制所述第一开关管和第二开关管处于截止状态。
10.根据权利要求9所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，所述控制装置还用于控制所述可控单向导电装置使其在承受正向电压时处于导通状态。
11.根据权利要求9所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，所述第一开关断开，所述第二开关导通。
12.根据权利要求5所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，当所述不间断电源的市电输入端不具有市电时，所述控制装置用于：控制所述第一开关断开、第二开关导通，控制所述可控单向导电装置使其在承受正向电压时处于导通状态，并且给所述第一开关管和第二开关管提供占空比相同的脉宽调制信号，使得所述第一开关管和第二开关管交替导通。
13.根据权利要求5所述的用于不间断电源的充放电平衡变换器，其特征在于，在所述不间断电源的市电输入端从不具有市电切换为具有市电之后，且当所述正直流母线和负直流母线之间的电压高于所述不间断电源的可充电电池的电压时，所述控制装置用于：控制所述第一开关导通、第二开关断开，并且给所述第一开关管提供脉宽调制信号，控制所述第二开关管处于截止状态。
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