CN110620423B - 供电电路及具有其的ups辅助电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种供电电路及具有其的UPS辅助电源系统，供电电路包括：变压器、初级侧开关单元及次级侧开关单元；变压器具有磁耦合的初级绕组、第一次级绕组及第二次级绕组，初级绕组耦接于输入电源，第一次级绕组耦接于负载，第二次级绕组耦接于储能单元；初级侧开关单元耦接于初级侧绕组，且初级侧开关单元包含第一开关；次级侧开关单元耦接于第二次级绕组，且次级侧开关单元包含第二开关和第二二极管，第二二极管反向并联于第二开关；当输入电源正常时，第二开关保持截止状态，第一开关进行导通截止动作，输入电源向负载及储能单元供电；当输入电源故障时，第一开关保持截止状态，第二开关进行导通截止动作，储能单元向负载供电。

Description

供电电路及具有其的UPS辅助电源系统
技术领域
本发明涉及一种供电电路及具有其的UPS辅助电源系统，具体地说，尤其涉及一种负载从输入电源与储能单元取电以及输入电源对储能单元充电的三合一功能的供电电路及具有其的UPS辅助电源系统。
背景技术
在现有的UPS辅助电源系统中，为了实现负载从输入电源取电、负载从储能单元取电以及通过输入电源为储能单元充电均需要设计不同的电路来实现前述功能，即三个功能则需要各自独立的电路结构来实现。这种方式在实际实施中，不仅增加生产成本，也大大占用了系统的有限空间，不利于产品的小型化设计，因此急需开发一种克服上述缺陷的供电电路及具有其的UPS辅助电源系统。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种供电电路，其中，包括：
变压器，具有磁耦合的初级绕组、第一次级绕组及第二次级绕组，所述初级绕组耦接于输入电源，所述第一次级绕组耦接于负载，所述第二次级绕组耦接于储能单元；
初级侧开关单元，耦接于所述初级侧绕组，且所述初级侧开关单元包含第一开关；
次级侧开关单元，耦接于所述第二次级绕组，且所述次级侧开关单元包含第二开关和第二二极管，所述第二二极管反向并联于所述第二开关；
其中，当所述输入电源正常时，所述第二开关保持截止状态，所述第一开关进行导通截止动作，所述输入电源向所述负载及所述储能单元供电；当所述输入电源故障时，所述第一开关保持截止状态，所述第二开关进行导通截止动作，所述储能单元向所述负载供电。
上述的供电电路，其中，还包括：
第一信号采样单元，耦接于所述初级绕组，以输出反映所述输入电源状态的第一信号；
第一信号驱动单元，耦接于所述第一开关，所述第一信号驱动单元根据所述第一信号控制所述第一开关保持截止状态或者进行导通截止动作；
第二信号驱动单元，耦接于所述第二开关，所述第二信号驱动单元根据所述第一信号控制所述第二开关保持截止状态或者进行导通截止动作。
上述的供电电路，其中，所述第一信号采样单元分别耦接至所述第一信号驱动单元和所述第二驱动单元的使能端；
其中，当所述输入电源正常时，根据所述第一信号，所述第一信号驱动单元被使能，所述第二信号驱动单元被禁止；当所述输入电源故障时，根据所述第一信号，所述第一信号驱动单元被禁止，所述第二信号驱动单元被使能。
上述的供电电路，其中，还包括：
第二信号采样单元，耦接于所述储能单元，以输出反映储能单元状态的第二信号；
其中，所述第二信号采样单元耦接于所述第一信号驱动单元，当所述第一开关进行导通截止动作时，所述第一信号驱动单元根据所述第二信号控制所述第一开关的导通时间。
上述的供电电路，其中，还包括第三信号采样单元，耦接于所述负载，以输出反映所述负载状态的第三信号；
所述第三信号采样单元耦接于所述第二信号驱动单元，当所述第二开关进行导通截止动作时，所述第二信号驱动单元根据所述第三信号控制所述第二开关的导通时间。
上述的供电电路，其中，还包括第一信号处理单元，耦接于所述第一信号采样单元与所述第一信号驱动单元及所述第二信号驱动单元之间。
上述的供电电路，其中，所述第一信号处理单元为模数转换单元。。
上述的供电电路，其中，所述模数转换单元将第一信号转换为使能信号，所述使能信号输出至所述第一驱动单元及所述第二驱动单元的使能端。。
上述的供电电路，其中，还包括第一隔离单元，耦接于所述第一信号处理单元及所述第二信号驱动单元之间，所述第一信号依次经所述第一信号处理单元及所述第一隔离单元处理后，输出至所述第二信号驱动单元。
上述的供电电路，其中，还包括第二隔离单元，耦接于所述第二信号采样单元及所述第一信号驱动单元之间，所述第二信号经所述第二隔离单元处理后，输出至所述第一信号驱动单元。
上述的供电电路，其中，还包括整流单元，耦接于所述输入电源与所述初级绕组之间。
上述的供电电路，其中，所述第一信号反映所述初级绕组的输入电压。
上述的供电电路，其中，所述第二信号反映所述储能单元的端电压。
上述的供电电路，其中，所述第三信号反映所述负载的端电压。
上述的供电电路，其中，所述整流单元为全桥电路，且所述全桥电路的开关元件为整流二极管。
上述的供电电路，其中，
所述次级侧开关单元为金属-氧化物半导体场效应晶体管，其栅级耦接于所述第二驱动单元的输出端，其漏极耦接于所述第二次级绕组的第二端，其源极耦接于所述储能单元的第二端；所述储能单元的第一端耦接于所述第二次级绕组的第一端；
其中，所述第二二极管为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的体二极管。上述的供电电路，其中，还包括次级侧二极管，所述次级侧二极管的阳极耦接于所述第一次级绕组的第一端，所述次级侧二极管的阴极耦接于所述负载的第一端，所述负载的第二端耦接于所述第一次级绕组的第二端。
上述的供电电路，其中，所述初级绕组的第一端耦接至所述输入电源的第一端，所述初级绕组的第二端耦接至所述初级侧开关单元的电流输入端，所述初级侧开关单元的电流输出端耦接于所述输入电源的第二端；
其中，所述第一开关为金属-氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管，所述第一开关的的控制端耦接至第一驱动单元的输出端。
本发明还提供一种UPS辅助电源系统，其中，包括：
电源输入端；
负载；
储能单元；以及
上述中任一项所述的供电电路，所述供电电路耦接于所述电源输入端、所述负载及所述储能单元。
针对于现有技术本发明的功效在于，本发明的供电电路及具有其的UPS辅助电源系统，可以实现负载从输入电源与储能单元取电以及输入电源对储能单元充电的三合一功能，在替换原有系统中，节约成本，节省系统空间，提升充电效率。
附图说明
图1为本发明UPS辅助电源系统的结构示意图。
其中，附图标记为：
UPS辅助电源系统1
输入电源AC
输入电源的第一端ACL
输入电源的第二端ACN
供电电路11
变压器111
初级绕组N1
第一次级绕组N2
第二次级绕组N3
初级侧开关单元112
第一开关S1
第一二极管D1
次级侧开关单元113
第二开关S2
第二二极管D2
第一信号采样单元114
第一信号驱动单元115
第二信号驱动单元116
第二信号采样单元117
第三信号采样单元118
整流单元119
整流二极管D3
第一信号处理单元SP1
第一隔离单元G1
第二隔离单元G2
次级侧二极管D4
负载12
储能单元13
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下请参照图1，图1为本发明UPS辅助电源系统的结构示意图。如图1所示，本发明的UPS辅助电源系统1包括输入电源AC、供电电路11、负载12及储能单元13，供电电路11耦接于电源输入端AC、负载12及储能单元13。供电电路11包括：变压器111、初级侧开关单元112及次级侧开关单元113；变压器111具有磁耦合的初级绕组N1、第一次级绕组N2及第二次级绕组N3，初级绕组N1耦接于输入电源AC，第一次级绕组N2耦接于负载12，第二次级绕组N3耦接于储能单元13；初级侧开关单元112耦接于初级侧绕组N1，且初级侧开关单元112包含第一开关S1；次级侧开关单元113耦接于第二次级绕组N2，且次级侧开关单元112包含第二开关S2和第二二极管D2，第二二极管D2反向并联于第二开关S2，当第二二极管D2的阳极电压高于阴极电压时，第二二极管D2自然导通；其中，当输入电源AC正常时，第二开关S2保持截止状态，第一开关S1进行导通截止动作，输入电源AC向负载12及储能单元13供电；当输入电源AC故障时，第一开关S1保持截止状态，第二开关S2进行导通截止动作，储能单元13向负载12供电。储能单元可以为蓄电池等储能装置。进一步地，供电电路11还包括：第一信号采样单元114、第一信号驱动单元115及第二信号驱动单元116；第一信号采样单元114耦接于初级绕组N1，以输出反映输入电源状态的第一信号；第一信号驱动单元115耦接于第一开关S1，第一信号驱动单元115根据第一信号控制第一开关S1保持截止状态或者进行导通截止动作；第二信号驱动单元116耦接于第二开关S2，第二信号驱动单元116根据第一信号控制第二开关S2保持截止状态或者进行导通截止动作。
其中，在本实施例中，第一信号采样单元114可以分别耦接至第一信号驱动单元115和第二驱动单元116的使能端；当输入电源AC正常时，根据第一信号，第一信号驱动单元115被使能，第二信号驱动单元116被禁止；当输入电源AC故障时，根据第一信号，第一信号驱动单元115被禁止，第二信号驱动单元116被使能。在本发明的另一些实施例中，第一信号采样单元114可连接至一控制单元，再由控制单元对第一信号驱动单元115或者第二驱动单元116进行控制，本发明并不以此为限，只要第一驱动单元115、第二驱动单元116可以根据第一信号控制第一开关S1、第二开关S2即可。
值得注意的是，在本实施例中，第一信号反映初级绕组N1的输入电压，但本发明并不以此为限。
在本实施例中，初级绕组N1的第一端耦接至输入电源AC的第一端ACL，初级绕组N1的第二端耦接至初级侧开关单元112的电流输入端，初级侧开关单元112的电流输出端耦接于输入电源AC的第二端ACN。第一开关S1为金属-氧化物半导体场效应晶体管，本发明不以此为限，第一开关S1还可以为绝缘栅双极型晶体管等三极管，只要第一开关S1的控制端耦接至第一驱动单元115的输出端即可。次级侧开关单元为金属-氧化物半导体场效应晶体管，其栅级耦接于第二驱动单元的输出端，其漏极耦接于第二次级绕组的第二端，其源极耦接于储能单元的第二端；储能单元的第一端耦接于第二次级绕组的第一端；第二二极管为金属-氧化物半导体场效应晶体管的体二极管。当第二开关S2截止时，电流可通过体二极管向储能单元13充电。在本发明的另一些实施例中，第二二极管D2还可以为外接于第二开关S2的独立器件，更适用于对电路体积要求不高的场合。
再进一步地，供电电路11还包括：第二信号采样单元117及第三信号采样单元118，第二信号采样单元117耦接于储能单元13，以输出反映储能单元状态的第二信号，其中，第二信号采样单元117耦接于第一信号驱动单元115，当第一开关S1进行导通截止动作时，第一信号驱动单元115根据第二信号控制第一开关S1的导通时间；第三信号采样单元118耦接于负载12，以输出反映负载状态的第三信号，第三信号采样单元118耦接于第二信号驱动单元116，当第二开关S2进行导通截止动作时，第二信号驱动单元116根据第三信号控制第二开关S2的导通时间。以储能电源为电池为例，上述供电电路可以有效控制电池在均充和浮充时的充电电压和充电电流。值得注意的是，在本实施例中，第二信号反映储能单元13的端电压，第三信号反映负载12的端电压，但本发明并不以此为限。
又进一步地，供电电路11还包括：第一信号处理单元SP1，第一信号处理单元SP1耦接于第一信号采样单元114与第一信号驱动单元115及第二信号驱动单元116之间，第一信号经第一信号处理单元SP1处理后输出至第一信号驱动单元115及第二信号驱动单元116。
更进一步地，供电电路11还包括第一隔离单元G1及第二隔离单元G2；第一隔离单元G1耦接于第一信号处理单元SP1及第二信号驱动单元116之间，第一信号依次经第一信号处理单元SP1及第一隔离单元G1处理后，输出至第二信号驱动116；第二隔离单元G2耦接于第二信号采样单元117及第一信号驱动单元115之间，第二信号经第二隔离单元G2处理后，输出至第一信号驱动单元115。
在本发明的一些实施例中，第一信号处理单元SP1可以为模数转换电路，第一信号为反映初级绕组N1的输入电压的模拟信号，第一信号处理单元SP1将所述模拟信号转换为数字信号并输出至第一驱动单元115的使能端，同时，该数字信号通过第一隔离单元G1输出至第二驱动单元116的使能端。
需要说明的是，在本实施例中，供电电路11还包括整流单元119，耦接于输入电源AC与初级绕组N1之间，整流单元119为全桥电路，且全桥电路的开关元件为整流二极管D3。当输入电源AC掉电时，整流二极管D3可以防止能量反灌。
在本实施例中，供电电路11还包括次级侧二极管D4。次级侧二极管D4的阳极耦接于第一次级绕组N2的第一端，次级侧二极管D4的阴极耦接于负载12的第一端，负载12的第二端耦接于第一次级绕组N2的第二端；初级绕组N1的第二端和第一次级绕组的第一端及第二次级绕组的第一端为同名端。
在本实施例中，供电电路11还包括多个滤波电路及缓冲电路；多个滤波电路分别并联于输入电源AC、第二次级绕组N2、储能电源13的两端；缓冲电路并联于初级侧绕组N1的两端。
综上所述，本发明的供电电路及具有其的UPS辅助电源系统，可以实现负载从输入电源与储能单元取电以及输入电源对储能单元充电的三合一功能，在替换原有系统中，节约成本，节省系统空间，提升充电效率
需要说明的是：以上实施例仅用以说明本发明，而并非限制本发明所描述的技术方案；同时，尽管本说明书参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；因此，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明所附权利要求的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种供电电路，其特征在于，包括：
变压器，具有磁耦合的初级绕组、第一次级绕组及第二次级绕组，所述初级绕组耦接于输入电源，所述第一次级绕组耦接于负载，所述第二次级绕组耦接于储能单元；
初级侧开关单元，耦接于所述初级绕组，且所述初级侧开关单元包含第一开关；
次级侧开关单元，耦接于所述第二次级绕组，且所述次级侧开关单元包含第二开关和第二二极管，所述第二二极管反向并联于所述第二开关；
其中，当所述输入电源正常时，所述第二开关保持截止状态，所述第一开关进行导通截止动作，所述输入电源向所述负载及所述储能单元供电；当所述输入电源故障时，所述第一开关保持截止状态，所述第二开关进行导通截止动作，所述储能单元向所述负载供电。
2.如权利要求1所述的供电电路，其特征在于，还包括：
第一信号采样单元，耦接于所述初级绕组，以输出反映所述输入电源状态的第一信号；
第一信号驱动单元，耦接于所述第一开关，所述第一信号驱动单元根据所述第一信号控制所述第一开关保持截止状态或者进行导通截止动作；
第二信号驱动单元，耦接于所述第二开关，所述第二信号驱动单元根据所述第一信号控制所述第二开关保持截止状态或者进行导通截止动作。
3.如权利要求2所述的供电电路，其特征在于，所述第一信号采样单元分别耦接至所述第一信号驱动单元和所述第二信号驱动单元的使能端；
其中，当所述输入电源正常时，根据所述第一信号，所述第一信号驱动单元被使能，所述第二信号驱动单元被禁止；当所述输入电源故障时，根据所述第一信号，所述第一信号驱动单元被禁止，所述第二信号驱动单元被使能。
4.如权利要求2所述的供电电路，其特征在于，还包括：
第二信号采样单元，耦接于所述储能单元，以输出反映储能单元状态的第二信号；
其中，所述第二信号采样单元耦接于所述第一信号驱动单元，当所述第一开关进行导通截止动作时，所述第一信号驱动单元根据所述第二信号控制所述第一开关的导通时间。
5.如权利要求2所述的供电电路，其特征在于，还包括第三信号采样单元，耦接于所述负载，以输出反映所述负载状态的第三信号；
所述第三信号采样单元耦接于所述第二信号驱动单元，当所述第二开关进行导通截止动作时，所述第二信号驱动单元根据所述第三信号控制所述第二开关的导通时间。
6.如权利要求3所述的供电电路，其特征在于，还包括第一信号处理单元，耦接于所述第一信号采样单元与所述第一信号驱动单元及所述第二信号驱动单元之间。
7.如权利要求6所述的供电电路，其特征在于，所述第一信号处理单元为模数转换单元。
8.如权利要求7所述的供电电路，其特征在于，所述模数转换单元将第一信号转换为使能信号，所述使能信号输出至所述第一信号驱动单元及所述第二信号驱动单元的使能端。
9.如权利要求6所述的供电电路，其特征在于，还包括第一隔离单元，耦接于所述第一信号处理单元及所述第二信号驱动单元之间，所述第一信号依次经所述第一信号处理单元及所述第一隔离单元处理后，输出至所述第二信号驱动单元。
10.如权利要求4所述的供电电路，其特征在于，还包括第二隔离单元，耦接于所述第二信号采样单元及所述第一信号驱动单元之间，所述第二信号经所述第二隔离单元处理后，输出至所述第一信号驱动单元。
11.如权利要求1所述的供电电路，其特征在于，还包括整流单元，耦接于所述输入电源与所述初级绕组之间。
12.如权利要求2所述的供电电路，其特征在于，所述第一信号反映所述初级绕组的输入电压。
13.如权利要求4所述的供电电路，其特征在于，所述第二信号反映所述储能单元的端电压。
14.如权利要求5所述的供电电路，其特征在于，所述第三信号反映所述负载的端电压。
15.如权利要求11所述的供电电路，其特征在于，所述整流单元为全桥电路，且所述全桥电路的开关元件为整流二极管。
16.如权利要求1所述的供电电路，其特征在于，
所述次级侧开关单元为金属-氧化物半导体场效应晶体管，其栅级耦接于第二信号 驱动单元的输出端，其漏极耦接于所述第二次级绕组的第二端，其源极耦接于所述储能单元的第二端；所述储能单元的第一端耦接于所述第二次级绕组的第一端；
其中，所述第二二极管为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的体二极管。
17.如权利要求2所述的供电电路，其特征在于，还包括次级侧二极管，所述次级侧二极管的阳极耦接于所述第一次级绕组的第一端，所述次级侧二极管的阴极耦接于所述负载的第一端，所述负载的第二端耦接于所述第一次级绕组的第二端。
18.如权利要求2所述的供电电路，其特征在于，所述初级绕组的第一端耦接至所述输入电源的第一端，所述初级绕组的第二端耦接至所述初级侧开关单元的电流输入端，所述初级侧开关单元的电流输出端耦接于所述输入电源的第二端；所述第一开关的控制端耦接至第一驱动单元的输出端。
19.一种UPS辅助电源系统，其特征在于，包括：
电源输入端；
负载；
储能单元；以及
上述权利要求1-18中任一项所述的供电电路，所述供电电路耦接于所述电源输入端、所述负载及所述储能单元。
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