CN110995047B - 多输入功率变换器及其控制方法和包括其的不间断电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多输入功率变换器及其控制方法和包括其的不间断电源，所述多输入功率变换器包括：在正直流母线和负直流母线之间并联的n个桥臂，其中n为不小于3的正整数；电容组件，其连接在正直流母线和负直流母线之间；交流开关组件，其连接在第一个桥臂至第n‑1个桥臂的输入端与交流电之间；以及直流开关组件，其连接在第二个桥臂至第n个桥臂的输入端与可充电电池的正极之间。本发明的多输入功率变换器能够实现能量的双向流动、实现功率软切换且成本低。

Description

多输入功率变换器及其控制方法和包括其的不间断电源
技术领域
本发明涉及功率变换器，具体涉及一种多输入功率变换器及其控制方法和包括其的不间断电源。
背景技术
不间断电源能够持续不断地给负载进行供电，当市电电压正常时，由市电向负载供电；当市电电压不正常或停电时，可充电电池向负载供电。目前不间断电源已经被广泛地用于各个领域。
图1是现有技术中的第一种不间断电源的电路框图。如图1所示，不间断电源1包括在交流输入端11和交流输出端12之间依次连接的整流电路13、功率因数校正电路(PFC)14和逆变器15；以及充电器16、可充电电池17和开关装置18。其中整流电路13的输入端连接至或作为交流输入端11，其输出端连接至PFC 14的输入端。PFC 14的输出端连接至正直流母线191、负直流母线192。逆变器15的输入端连接至正直流母线191、负直流母线192，其输出端连接至或作为交流输出端12。充电器16的输入端连接至正直流母线191、负直流母线192，其输出端连接至可充电电池17的两端。可充电电池17通过开关装置18连接至PFC 14的输入端。
图1的不间断电源1中的交流输入端11的交流电或市电与可充电电池17不能同时给连接在交流输出端12的负载进行供电，无法实现功率软切换，影响了不间断电源的特性。而且无法实现将交流输出端12的电能传输至交流输入端11，其适用性和功能可扩展性能有限。
图2是现有技术中的第二种不间断电源的电路框图。如图2所示，不间断电源2包括脉宽调制整流电路23、逆变器25和双向DC-DC变换器26，其中脉宽调制整流电路23的输入端连接至或作为交流输入端21，其输出端连接至正直流母线291和负直流母线292。逆变器25的输入端连接至正直流母线291和负直流母线292，其输出端连接至或作为交流输出端22。双向DC-DC变换器26的输入端连接至可充电电池27的两端，其输出端连接至正直流母线291和负直流母线292。
图2的不间断电源2能够实现能量的双向流动，即将交流输出端22的电能传输至交流输出端21。脉宽调制整流电路23和双向DC-DC变换器26能够同时被控制为给连接在交流输出端22的负载进行供电，能够实现功率软切换。然而，脉宽调制整流电路23和双向DC-DC变换器26的功率之和为输出功率的2倍，因此增加了电子元器件的成本。
发明内容
针对现有技术中的功率变换器存在的上述技术问题，本发明提供了一种多输入功率变换器，所述多输入功率变换器包括：
在正直流母线和负直流母线之间并联的n个桥臂，其中n为不小于3的正整数；
电容组件，其连接在正直流母线和负直流母线之间；
交流开关组件，其连接在第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端与交流电之间；以及
直流开关组件，其连接在第二个桥臂至第n个桥臂的输入端与可充电电池的正极之间。
优选的，所述电容组件包括在正直流母线和负直流母线之间串联的第一电容和第二电容。
优选的，所述多输入功率变换器包括续流开关，所述续流开关的一端连接至第一个桥臂的输入端，其另一端连接至所述第一电容和第二电容相连接形成的节点。
优选的，所述交流电为三相交流电，所述n个桥臂包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，所述交流开关组件包括：
连接在所述三相交流电中的第一相交流电和所述第一桥臂的输入端之间的交流开关；
连接在所述三相交流电中的第二相交流电和所述第二桥臂的输入端之间的交流开关；以及
连接在所述三相交流电中的第三相交流电和所述第三桥臂的输入端之间的交流开关。
优选的，所述直流开关组件包括：
连接在所述第二桥臂的输入端与所述可充电电池的正极之间的直流开关；
连接在所述第三桥臂的输入端与所述可充电电池的正极之间的直流开关；以及
连接在所述第四桥臂的输入端与所述可充电电池的正极之间的直流开关。
优选的，所述n个桥臂中的每个都包括：
第一开关管及与其反向并联的第一二极管；
第二开关管及与其反向并联的第二二极管；以及
电感；
其中所述第一开关管和第二开关管在所述正直流母线和负直流母线之间串联连接，所述电感的一端连接至所述第一开关管和第二开关管相连接形成的节点，所述电感的另一端作为所述输入端。
优选的，所述第一开关管为第一绝缘栅双极型晶体管，所述第二开关管为第二绝缘栅双极型晶体管，所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极相连接形成的节点连接至所述电感的一端。
优选的，所述多输入功率变换器还包括控制装置，所述控制装置用于：
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，且使得第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述交流电转换为直流电并传输至所述正直流母线和负直流母线中，且控制第n个桥臂以脉宽调制方式工作从而对所述可充电电池进行降压充电；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，控制所述第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述交流电转换为直流电并传输至所述正直流母线和负直流母线中，控制第n个桥臂停止工作；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制所述第二个桥臂至第n个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述可充电电池中的直流电升压后并传输至所述正直流母线和负直流母线中；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，且使得第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述交流电转换为直流电并传输至所述正直流母线和负直流母线中，控制第n个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述可充电电池中的直流电升压并传输至所述正直流母线和负直流母线中；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，且使得第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第n个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述可充电电池中的直流电升压后并传输至所述正直流母线和负直流母线中，且控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述正直流母线和负直流母线中的直流电逆变为交流电；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，且使得第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述正直流母线和负直流母线中的直流电逆变为交流电，且控制第n个桥臂以脉宽调制方式工作从而对所述可充电电池进行降压充电；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述正直流母线和负直流母线中的直流电逆变为交流电，且控制第n个桥臂停止工作；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第二个桥臂至第n个桥臂以脉宽调制方式工作从而对所述可充电电池进行降压充电。
优选的，所述电容组件包括在正直流母线和负直流母线之间串联的第一电容和第二电容，所述多输入功率变换器包括续流开关，所述续流开关的一端连接至第一个桥臂的输入端，其另一端连接至所述第一电容和第二电容相连接形成的节点；所述控制装置用于当控制第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极时，控制所述续流开关导通；以及当控制第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电时，控制所述续流开关断开。
本发明还提供了一种用于多输入功率变换器的控制方法，包括：
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，且使得第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述交流电转换为直流电并传输至所述正直流母线和负直流母线中，且控制第n个桥臂以脉宽调制方式工作从而对所述可充电电池进行降压充电；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，控制所述第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述交流电转换为直流电并传输至所述正直流母线和负直流母线中，控制第n个桥臂停止工作；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制所述第二个桥臂至第n个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述可充电电池中的直流电升压后并传输至所述正直流母线和负直流母线中；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，且使得第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述交流电转换为直流电并传输至所述正直流母线和负直流母线中，控制第n个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述可充电电池中的直流电升压并传输至所述正直流母线和负直流母线中；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，且使得第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第n个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述可充电电池中的直流电升压后并传输至所述正直流母线和负直流母线中，且控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述正直流母线和负直流母线中的直流电逆变为交流电；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，且使得第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述正直流母线和负直流母线中的直流电逆变为交流电，且控制第n个桥臂以脉宽调制方式工作从而对所述可充电电池进行降压充电；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电，控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述正直流母线和负直流母线中的直流电逆变为交流电，且控制第n个桥臂停止工作；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第二个桥臂至第n个桥臂以脉宽调制方式工作从而对所述可充电电池进行降压充电。
优选的，所述电容组件包括在正直流母线和负直流母线之间串联的第一电容和第二电容，所述多输入功率变换器包括续流开关，所述续流开关的一端连接至第一个桥臂的输入端，其另一端连接至所述第一电容和第二电容相连接形成的节点；所述控制方法包括当控制第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极时，控制所述续流开关导通；以及当控制第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述交流电时，控制所述续流开关断开。
优选的，所述n个桥臂中的每个包括：第一开关管及与其反向并联的第一二极管；第二开关管及与其反向并联的第二二极管；以及电感；其中所述第一开关管和第二开关管在所述正直流母线和负直流母线之间串联连接，所述电感的一端连接至所述第一开关管和第二开关管相连接形成的节点，所述电感的另一端作为输入端；
其中，控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述交流电转换为直流电包括：给所述第一个桥臂至第n-1个桥臂的每个中的第一开关管和第二开关管提供互补的且占空比按相对应的交流电的电压大小变化的两个脉宽调制信号；
控制第n个桥臂以脉宽调制方式工作从而对所述可充电电池进行降压充电包括：控制所述第n个桥臂中的第二开关管截止，且给所述第n个桥臂中的第一开关管提供脉宽调制信号；
控制第二桥臂至第n个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述可充电电池中的直流电升压后并传输至所述正直流母线和负直流母线中包括：控制所述第二桥臂至第n个桥臂的每个中的第一开关管截止，且给所述第二桥臂至第n个桥臂的每个中的第二开关管提供脉宽调制信号。
本发明还提供了一种不间断电源，包括：
如上所述的多输入功率变换器；
可充电电池，其负极连接至负直流母线；以及
逆变器，其输入端的正极端子和负极端子分别连接至正直流母线和负直流母线，其输出端连接至交流输出端。
本发明的多输入功率变换器中的元器件的成本低，且能够实现能量的双向流动，实现功率软切换，平衡正、负直流母线上的电压，以及实现可充电电池的自检。
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是现有技术中的第一种不间断电源的电路框图。
图2是现有技术中的第二种不间断电源的电路框图。
图3是根据本发明第一个实施例的多输入功率变换器与三相交流电和可充电电池相连接的电路图。
图4是给图3所示的多输入功率变换器中的第一桥臂至第三桥臂提供的脉宽调制信号的波形图。
图5是给图3所示的多输入功率变换器中的第四桥臂提供的信号的波形图。
图6是图3所示的多输入功率变换器在第一种工作模式下的等效电路图。
图7是图3所示的多输入功率变换器在第二种工作模式下的等效电路图。
图8是给图3所示的多输入功率变换器中的第一桥臂至第四桥臂提供的脉宽调制信号的波形图。
图9是图3所示的多输入功率变换器在第三种工作模式下的等效电路图。
图10是图3所示的多输入功率变换器在第四种工作模式下的等效电路图。
图11是图3所示的多输入功率变换器在第五种工作模式下的等效电路图。
图12是图3所示的多输入功率变换器在第六种工作模式下的等效电路图。
图13是图3所示的多输入功率变换器在第七种工作模式下的等效电路图。
图14是图3所示的多输入功率变换器在第八种工作模式下的等效电路图。
图15是根据本发明第二个实施例的多输入功率变换器与交流电和可充电电池相连接的电路图。
图16是根据本发明第三个实施例的多输入功率变换器与交流电和可充电电池相连接的电路图。
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。
为了清楚地示出本发明的多输入功率变换器及其等效电路的电路图，本发明的附图并未示出用于控制多输入功率变换器的控制装置。
图3是根据本发明第一个实施例的多输入功率变换器与三相交流电和可充电电池相连接的电路图。如图3所示，多输入功率变换器30包括在正直流母线391和负直流母线392之间并联的第一桥臂331、第二桥臂332、第三桥臂333和第四桥臂334；交流开关组件381，其连接在三相交流电和第一桥臂331、第二桥臂332、第三桥臂333的输入端之间；直流开关组件382，其连接在可充电电池37的正极和第二桥臂332、第三桥臂333和第四桥臂334的输入端之间；续流开关K32，其一端连接至第一桥臂331的输入端，另一端连接至中性点N；以及在正直流母线391和负直流母线392之间串联的电容Cp和电容Cn，电容Cp和电容Cn相连接形成的节点为该中性点N。
第一桥臂331包括具有反向并联二极管D31的绝缘栅双极型晶体管T31、具有反向并联二极管D32的绝缘栅双极型晶体管T32以及电感L31。绝缘栅双极型晶体管T31、T32在正直流母线391和负直流母线392之间串联连接，即绝缘栅双极型晶体管T31的集电极连接至正直流母线391，绝缘栅双极型晶体管T32的发射极连接至负直流母线392，绝缘栅双极型晶体管T31的发射极连接至绝缘栅双极型晶体管T32的集电极。电感L31的一端连接至绝缘栅双极型晶体管T31、T32相连接形成的节点，另一端作为第一桥臂331的输入端。
第二桥臂332包括具有反向并联二极管D33的绝缘栅双极型晶体管T33，具有反向并联二极管D34的绝缘栅双极型晶体管T34，以及电感L32。其中绝缘栅双极型晶体管T33、T34在正直流母线391和负直流母线392之间串联连接，即绝缘栅双极型晶体管T33的集电极连接至正直流母线391，绝缘栅双极型晶体管T34的发射极连接至负直流母线392，绝缘栅双极型晶体管T33的发射极连接至绝缘栅双极型晶体管T34的集电极。电感L32的一端连接至绝缘栅双极型晶体管T33、T34相连接形成的节点，另一端作为第二桥臂332的输入端。
第三桥臂333包括具有反向并联二极管D35的绝缘栅双极型晶体管T35，具有反向并联二极管D36的绝缘栅双极型晶体管T36，以及电感L33。其中绝缘栅双极型晶体管T35、T36在正直流母线391和负直流母线392之间串联连接，即绝缘栅双极型晶体管T35的集电极连接至正直流母线391，绝缘栅双极型晶体管T36的发射极连接至负直流母线392，绝缘栅双极型晶体管T35的发射极连接至绝缘栅双极型晶体管T36的集电极。电感L33的一端连接至绝缘栅双极型晶体管T35和T36相连接形成的节点，另一端作为第三桥臂333的输入端。
第四桥臂334包括具有反向并联二极管D37的绝缘栅双极型晶体管T37，具有反向并联二极管D38的绝缘栅双极型晶体管T38，以及电感L34。其中绝缘栅双极型晶体管T37、T38在正直流母线391和负直流母线392之间串联连接，即绝缘栅双极型晶体管T37的集电极连接至正直流母线391，绝缘栅双极型晶体管T38的发射极连接至负直流母线392，绝缘栅双极型晶体管T37的发射极连接至绝缘栅双极型晶体管T38的集电极。电感L34的一端连接至绝缘栅双极型晶体管T37和T38相连接形成的节点，另一端作为第四桥臂334的输入端。
交流开关组件381包括连接在第一相交流电L1和第一桥臂331的输入端之间的交流开关K31，连接在第二相交流电L2和第二桥臂332的输入端之间的交流开关K33，连接在第三相交流电L3和第三桥臂333的输入端之间的交流开关K35。
直流开关组件382包括连接在第二桥臂332的输入端和可充电电池37的正极之间的直流开关K34，连接在第三桥臂333的输入端和可充电电池37的正极之间的直流开关K36，连接在第四桥臂334的输入端和可充电电池37的正极之间的直流开关K37。
下面分别说明图3的多输入功率变换器30的工作模式和功能。
第一种工作模式
当三相交流电L1、L2、L3正常，且可充电电池37未充满电时。控制续流开关K32断开，控制交流开关K31、K33、K35导通，控制直流开关K34、K36断开，且控制直流开关K37导通。
图4是给图3所示的多输入功率变换器中的第一桥臂至第三桥臂提供的脉宽调制信号的波形图。如图4所示，给绝缘栅双极型晶体管T31、T32提供互补的脉宽调制信号PWM31、PWM32，且脉宽调制信号PWM31、PWM32的占空比按第一相交流电L1的电压大小变化。给绝缘栅双极型晶体管T33、T34提供互补的脉宽调制信号PWM33、PWM34，且脉宽调制信号PWM33、PWM34的占空比按第二相交流电L2的电压大小变化。给绝缘栅双极型晶体管T35、T36提供互补的脉宽调制信号PWM35、PWM36，且脉宽调制信号PWM35、PWM36的占空比按第三相交流电L3的电压大小变化。其中脉宽调制信号PWM31、PWM32之间具有死区时间，脉宽调制信号PWM33、PWM34之间具有死区时间，脉宽调制信号PWM35、PWM36之间具有死区时间，避免正直流母线391和负直流母线392之间短路。
图5是给图3所示的多输入功率变换器中的第四桥臂提供的信号的波形图。如图5所示，给绝缘栅双极型晶体管T37提供脉宽调制信号，给绝缘栅双极型晶体管T38的栅极(即其控制端)提供低电平，即控制绝缘栅双极型晶体管T38截止。
图6是图3所示的多输入功率变换器在第一种工作模式下的等效电路图。如图6所示，第一桥臂331、第二桥臂332和第三桥臂333形成了三相桥式脉宽调制整流电路，通过控制第一桥臂331至第三桥臂333以脉宽调制方式工作，将三相交流电L1、L2和L3中的交流电整流并传输至串联的电容Cp和电容Cn中，其中三相交流电L1、L2和L3输出的电流与电压同相位，使得功率因数近似或等于1。同时绝缘栅双极型晶体管T37、二极管D38，电感L34构成了一个降压斩波电路(或称Buck电路)，其输入端的正极端子和负极端子分别连接至正直流母线391和负直流母线392，其输出端的正极端子和负极端子分别连接至可充电电池37的正极和负极。该Buck电路用于利用电容Cp和电容Cn两端的直流电对可充电电池37进行降压充电。
本发明的多输入功率变换器30能够将三相交流电L1、L2、L3的交流电传输至正、负直流母线391、392上，以对负载进行供电。且能够利用正、负直流母线391、392上的直流电对可充电电池37进行充电。
第二种工作模式
当三相交流电L1、L2、L3正常，且可充电电池37充满电或不需要充电时。控制续流开关K32断开，控制交流开关K31、K33、K35导通，控制直流开关K37导通或断开，控制直流开关K34、K36断开。
给绝缘栅双极型晶体管T31、T32、T33、T34、T35、T36提供的脉宽调制信号与图4所示相同，在此不予赘述。同时控制绝缘栅双极型晶体管T37、T38截止。
图7是图3所示的多输入功率变换器在第二种工作模式下的等效电路图，图7所示的等效电路形成了一个三相桥式脉宽调制整流电路，用于将三相交流电L1、L2、L3中的交流电整流并传输至串联的电容Cp和电容Cn中。
本发明的多输入功率变换器30能够将三相交流电L1、L2、L3的交流电传输至正、负直流母线391、392上，以对负载进行供电。
第三种工作模式
当三相交流电L1、L2、L3异常或停电，且可充电电池37有电时。控制续流开关K32导通，控制交流开关K31、K33、K35断开，控制直流开关K34、K36、K37导通。
图8是给图3所示的多输入功率变换器中的第一桥臂至第四桥臂提供的脉宽调制信号的波形图。如图8所示，给绝缘栅双极型晶体管T31、T32提供互补的脉宽调制信号PWM31、PWM32，其中脉宽调制信号PWM31、PWM32之间具有死区时间以避免正直流母线391和负直流母线392之间短路。给绝缘栅双极型晶体管T33、T35、T37的栅极(即其控制端)提供低电平，即控制绝缘栅双极型晶体管T33、T35、T37截止，同时给绝缘栅双极型晶体管T34、T36和T38提供脉宽调制信号PWM34、PWM36、PWM38。
图9是图3所示的多输入功率变换器在第三种工作模式下的等效电路图，如图9所示，电感L32、绝缘栅双极型晶体管T34和二极管D33形成了一个升压斩波电路(或称Boost电路)；电感L33、绝缘栅双极型晶体管T36和二极管D35形成了一个Boost电路；电感L34、绝缘栅双极型晶体管T38和二极管D37形成了一个Boost电路。三个Boost电路的输入端的正极端子和负极端子分别连接至可充电电池37的正极和负极，其输出端的正极端子和负极端子分别连接至正直流母线391和负直流母线392。三个Boost电路同时将可充电电池37中的直流电进行升压后存储至电容Cp和电容Cn中。
在第三种工作模式中，利用了第二桥臂332、第三桥臂333和第四桥臂334共三个桥臂对正直流母线391和负直流母线392之间的电容Cp和电容Cn进行充电，输出的功率与三相交流电L1、L2和L3的输出功率相等，此时多输入功率变换器30的总功率被设计为输出功率的1.33倍即可，在输出功率不变的情况下，可以选用额定功率较小的电子元器件，节省了电子元器件的成本。
如果电容Cp和电容Cn两端的电压不相等，通过控制绝缘栅双极型晶体管T31和T32交替导通。当绝缘栅双极型晶体管T31导通时，电容Cp中的一部分电能储存至电感L31中；当绝缘栅双极型晶体管T32导通时，由于电感L31中的电流不能突变，电感L31中的能量输送到电容Cn中，然后电容Cn中的一部分电能储存至电感L31中；当绝缘栅双极型晶体管T31导通时，电感L31中的能量输送到电容Cp中，然后电容Cp中电能储存至电感L31中。从而使得电容Cp和电容Cn两端的电压相等。
第四种工作模式
当负载变大或过载时，或电池模式转市电模式的过程中。控制续流开关K32断开，控制交流开关K31、K33、K35导通，控制直流开关K34、K36断开，且控制直流开关K37导通。
给绝缘栅双极型晶体管T31、T32、T33、T34、T35、T36提供的脉宽调制信号与图4所示相同，在此不予赘述。给绝缘栅双极型晶体管T37、T38提供的脉宽调制信号与图8中的脉宽调制信号PWM37、PWM38相同，在此不予赘述。
图10是图3所示的多输入功率变换器在第四种工作模式下的等效电路图。如图10所示，通过控制第一桥臂331、第二桥臂332和第三桥臂333以脉宽调制方式工作，将三相交流电L1、L2和L3中的交流电整流并传输至串联的电容Cp和电容Cn中。同时通过控制第四桥臂334以脉宽调制方式工作，使得可充电电池37中的直流电进行升压后存储至电容Cp和电容Cn中。
当负载突然变大或过载时，采用第四种工作模式，能够在较短时间内提供较大的输出功率满足负载所需。在电池模式转市电模式的过程中，先使得可充电电池37和三相交流电L1、L2和L3同时给负载供电，之后停止可充电电池37给负载供电，即可实现功率软切换。
第五种工作模式
控制续流开关K32断开，控制交流开关K31、K33、K35导通，控制直流开关K34、K36断开，控制直流开关K37导通。
给绝缘栅双极型晶体管T31、T32、T33、T34、T35、T36提供的脉宽调制信号与图4所示相同，在此不予赘述。给绝缘栅双极型晶体管T37、T38提供的脉宽调制信号与图8中的脉宽调制信号PWM37、PWM38相同，在此不予赘述。
图11是图3所示的多输入功率变换器在第五种工作模式下的等效电路图。如图11所示，通过控制第四桥臂334以脉宽调制方式工作，使得可充电电池37中的直流电进行升压后存储至电容Cp和电容Cn中。同时控制第一桥臂331、第二桥臂332和第三桥臂333以脉宽调制方式工作，以将电容Cp和电容Cn中的直流电逆变为比电网电压略高的交流电，从而实现了将可充电电池37中的直流电并入电网。
当负载所需的功率较小时，采用第五种工作模式，使得可充电电池37在短时间内以一定的功率放电，根据可充电电池37的输出电压随时间的变化趋势，实现对可充电电池37的自检。或者在用电高峰期，将可充电电池37中的直流电并入电网。
本领域的技术人员应当理解的是，第五种工作模式并非多输入功率变换器30的主要工作方式，在此仅体现出多输入功率变换器30能够实现能量的双向传输，且能够实现可充电电池37的自检和并入电网等功能。
第六种工作模式
当“负载”能够提供电能至电容Cp和电容Cn中时，控制续流开关K32断开，控制交流开关K31、K33、K35导通，控制直流开关K34、K36断开，且控制直流开关K37导通。
给绝缘栅双极型晶体管T31、T32、T33、T34、T35、T36提供的脉宽调制信号与图4所示相同，在此不予赘述。给绝缘栅双极型晶体管T37、T38提供的信号与图5所示相同，在此不予赘述。
图12是图3所示的多输入功率变换器在第六种工作模式下的等效电路图。如图12所示，通过控制第四桥臂334中的绝缘栅双极型晶体管T37以脉宽调制方式工作，从而使得电容Cp和电容Cn中的直流电对可充电电池37进行降压充电。同时控制第一桥臂331、第二桥臂332和第三桥臂333以脉宽调制方式工作，以将电容Cp和电容Cn中的直流电逆变为比电网电压略高的交流电，从而并入电网中。
本发明的多输入功率变换器还能够与提供电能的“负载”之间电连接，利用“负载”提供的电能对可充电电池37进行充电，且将“负载”提供的电能并入电网中。
第七种工作模式
当“负载”能够提供电能至电容Cp和电容Cn中时，控制续流开关K32断开，控制交流开关K31、K33、K35导通，控制直流开关K34、K36断开，控制直流开关K37导通或断开。
给绝缘栅双极型晶体管T31、T32、T33、T34、T35、T36提供的脉宽调制信号与图4所示相同，在此不予赘述。同时控制绝缘栅双极型晶体管T37、T38截止。
图13是图3所示的多输入功率变换器在第七种工作模式下的等效电路图。如图13所示，此时控制第一桥臂331、第二桥臂332和第三桥臂333以脉宽调制方式工作，以将电容Cp和电容Cn中的直流电逆变为比电网电压略高的交流电，从而并入电网中。
当可充电电池37充满电时，即可从第六种工作模式切换到第七种工作模式。
第八种工作模式
当“负载”能够提供电能至电容Cp和电容Cn中时，控制续流开关K32导通，控制交流开关K31、K33、K35断开，控制直流开关K34、K36、K37导通。
给绝缘栅双极型晶体管T31、T32提供互补的脉宽调制信号PWM31、PWM32，其中脉宽调制信号PWM31、PWM32具有死区时间以避免正直流母线391和负直流母线392之间短路。给绝缘栅双极型晶体管T33、T35、T37提供脉宽调制信号使其以脉宽调制方式工作，给绝缘栅双极型晶体管T34、T36、T38提供低电平，即控制绝缘栅双极型晶体管T34、T36、T38截止。
图14是图3所示的多输入功率变换器在第八种工作模式下的等效电路图。如图14所示，第二桥臂332中的绝缘栅双极型晶体管T33、电感L32和二极管D34形成了一个Buck电路；第三桥臂333中的绝缘栅双极型晶体管T35、电感L33和二极管D36形成了一个Buck电路；以及第四桥臂334中的绝缘栅双极型晶体管T37、电感L34和二极管D38形成了一个Buck电路；三个Buck电路的输入端的正极端子和负极端子分别连接至正直流母线391和负直流母线392，输出端的正极端子和负极端子分别连接至可充电电池37的正极和负极。通过控制绝缘栅双极型晶体管T33、T35、T37以脉宽调制方式工作，从而将电容Cp和电容Cn中的直流电对可充电电池37进行降压充电。同时通过控制第一桥臂331中的绝缘栅双极型晶体管T31、T32交替导通，从而使得电容Cp和电容Cn两端的电压相等。
综上可知，本发明的多输入功率变换器30具有多种工作模式，能够适应不同的工作情况。
图15是根据本发明第二个实施例的多输入功率变换器与交流电和可充电电池相连接的电路图。如图15所示，多输入功率变换器40与图3所示的多输入功率变换器30基本相同，区别在于，交流开关K41、K43和K45的一端分别连接至第一桥臂431、第二桥臂432和第三桥臂433的输入端，另一端都连接至单相交流电源L。其工作模式与图3所示的多输入功率变换器30的工作模式相同，在此不再赘述。
如图15所示，多输入功率变换器40在用于将单相交流电源L中的交流电转换为直流电的过程中，控制第一桥臂431、第二桥臂432和第三桥臂433以交错并联方式工作。具体而言，给第一桥臂431中的绝缘栅双极型晶体管T41、T42提供互补且具有死区时间的两个脉宽调制信号PWM41、PWM42，给第二桥臂432中的绝缘栅双极型晶体管T43、T44提供互补且具有死区时间的两个脉宽调制信号PWM43、PWM44，给第三桥臂433中的绝缘栅双极型晶体管T45、T46提供互补且具有死区时间的两个脉宽调制信号PWM45、PWM46，其中脉宽调制信号PWM43比脉宽调制信号PWM41延迟脉宽调制信号周期的1/3，脉宽调制信号PWM45比脉宽调制信号PWM41延迟脉宽调制信号周期的2/3。由此可以降低纹波电流，连接在交流电和中心线之间的滤波电容可以选择电容值较小的。
图16是根据本发明第三个实施例的多输入功率变换器与交流电和可充电电池相连接的电路图。如图16所示，其与图15所示基本相同，区别在于，多输入功率变换器50包括第一桥臂531、第二桥臂532和第三桥臂533；交流开关组件581连接在交流电L和第一桥臂531、第二桥臂532的输入端之间；且直流开关组件582连接在可充电电池的正极和第二桥臂532、第三桥臂533的输入端之间。
图16的多输入功率变换器50的工作模式与图15所示的多输入功率变换器40的工作模式相类似，在此不再赘述。基于其工作模式可知，多输入功率变换器50的总功率为输出功率的1.5倍。在输出功率不变的情况下，可以选用额定功率较小的电子元器件，节省了电子元器件的成本。
在发明的其他实施例中，多输入功率变换器包括正直流母线和负直流母线之间并联的n个桥臂，其中n为不小于3的正整数；交流开关组件，其连接在交流电和第一至第n-1个桥臂的输入端之间；直流开关组件，其连接在可充电电池的正极和第二至第n个桥臂的输入端之间；以及连接在正直流母线和负直流母线之间的电容组件，电容组件可以是单个电容或多个电容的串并联形式。
本发明的多输入功率变换器根据实际应用来选择桥臂的数目，优选为4个，交流电优选为三相交流电。
在本发明的上述控制方法中，本发明并不意欲限制提供给等效电路中的Boost电路或Buck电路的脉宽调制信号的占空比，而是根据正、负直流母线上的电压与可充电电池的电压的关系来调整或改变脉宽调制信号的占空比。
在本发明的其他实施例中，可以采用门极可关断晶闸管、金氧半场效应晶体管等开关管代替绝缘栅双极型晶体管。
本发明的交流开关组件中的交流开关K31、K33和K35同时导通或断开，因此还可以采用一个三相开关装置代替上述实施例中的交流开关K31、K33、K35。直流开关组件中的直流开关K34、K36同时导通或断开，因此可以采用一个双刀单掷的开关装置代替直流开关K34、K36。本发明的上述实施例中的开关可以是机械触点式开关，还可以是电子可控式开关。
当选用电容值较大的电容Cp和电容Cn时，在第三种工作模式和第八种工作模式中，可以不需要平衡电容Cp和电容Cn两端的电压值。因此在本发明的其他实施例中，可以省去续流开关K32。
本发明还提供了一种不间断电源，其包括上述多输入功率变换器；可充电电池，其负极连接至负直流母线；以及逆变器，其中逆变器的输入端的正极端子和负极端子分别连接至正、负直流母线，其输出端用于给负载提供所需的交流电。根据实际需要，可以在可充电电池两端并联电容器，在三相交流电的每一相交流电与中性点N之间并联滤波电容。
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 (11)

1.一种多输入功率变换器，其特征在于，所述多输入功率变换器包括：
在正直流母线和负直流母线之间并联的n个桥臂，其中n为不小于3的正整数；
在正直流母线和负直流母线之间串联的第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容相连接形成的节点连接至中性点；
连接在单相交流电和所述中性点之间的电容；
交流开关组件，其连接在第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端与单相交流电之间；
直流开关组件，其连接在第二个桥臂至第n个桥臂的输入端与可充电电池的正极之间；
续流开关，所述续流开关的一端连接至第一个桥臂的输入端，其另一端连接至所述第一电容和第二电容相连接形成的节点；以及
控制装置，其用于控制所述交流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述单相交流电，以及控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以交错并联方式工作使得所述单相交流电转换为直流电并传输至所述正直流母线和负直流母线中；
所述控制装置还用于控制所述直流开关组件导通且使得所述可充电电池降压充电或升压放电时，同时控制所述续流开关导通。
2.根据权利要求1所述的多输入功率变换器，其特征在于，所述n个桥臂包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，所述交流开关组件包括：
连接在所述单相交流电和所述第一桥臂的输入端之间的交流开关；
连接在所述单相交流电和所述第二桥臂的输入端之间的交流开关；以及
连接在所述单相交流电和所述第三桥臂的输入端之间的交流开关。
3.根据权利要求2所述的多输入功率变换器，其特征在于，所述直流开关组件包括：
连接在所述第二桥臂的输入端与所述可充电电池的正极之间的直流开关；
连接在所述第三桥臂的输入端与所述可充电电池的正极之间的直流开关；以及
连接在所述第四桥臂的输入端与所述可充电电池的正极之间的直流开关。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的多输入功率变换器，其特征在于，所述n个桥臂中的每个都包括：
第一开关管及与其反向并联的第一二极管；
第二开关管及与其反向并联的第二二极管；以及
电感；
其中所述第一开关管和第二开关管在所述正直流母线和负直流母线之间串联连接，所述电感的一端连接至所述第一开关管和第二开关管相连接形成的节点，所述电感的另一端作为所述输入端。
5.根据权利要求4所述的多输入功率变换器，其特征在于，所述第一开关管为第一绝缘栅双极型晶体管，所述第二开关管为第二绝缘栅双极型晶体管，所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极相连接形成的节点连接至所述电感的一端。
6.根据权利要求1所述的多输入功率变换器，其特征在于，所述控制装置还用于：
控制所述直流开关组件使得第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第n个桥臂以脉宽调制方式工作从而对所述可充电电池进行降压充电；或
控制第n个桥臂停止工作；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制所述第二个桥臂至第n个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述可充电电池中的直流电升压后并传输至所述正直流母线和负直流母线中；或
控制所述直流开关组件使得第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第n个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述可充电电池中的直流电升压并传输至所述正直流母线和负直流母线中；或
控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述正直流母线和负直流母线中的直流电逆变为单相交流电，且控制第n个桥臂停止工作；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第二个桥臂至第n个桥臂以脉宽调制方式工作从而对所述可充电电池进行降压充电。
7.根据权利要求6所述的多输入功率变换器，其特征在于，所述控制装置用于当控制第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极时，控制所述续流开关导通；以及当控制第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述单相交流电时，控制所述续流开关断开。
8.一种用于如权利要求1所述的多输入功率变换器的控制方法，其特征在于，包括：
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述单相交流电，控制所述第一个桥臂至第n-1个桥臂以交错并联方式工作使得所述单相交流电转换为直流电并传输至所述正直流母线和负直流母线中，控制第n个桥臂停止工作；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制所述第二个桥臂至第n个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述可充电电池中的直流电升压后并传输至所述正直流母线和负直流母线中；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述单相交流电，控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述正直流母线和负直流母线中的直流电逆变为单相交流电，且控制第n个桥臂停止工作；或
控制所述交流开关组件和直流开关组件使得第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极，控制第二个桥臂至第n个桥臂以脉宽调制方式工作从而对所述可充电电池进行降压充电。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括当控制第二个桥臂至第n个桥臂的输入端连接至所述可充电电池的正极时，控制所述续流开关导通；以及当控制第一个桥臂至第n-1个桥臂的输入端连接至所述单相交流电时，控制所述续流开关断开。
10.根据权利要求8或9所述的控制方法，其特征在于，所述n个桥臂中的每个包括：第一开关管及与其反向并联的第一二极管；第二开关管及与其反向并联的第二二极管；以及电感；其中所述第一开关管和第二开关管在所述正直流母线和负直流母线之间串联连接，所述电感的一端连接至所述第一开关管和第二开关管相连接形成的节点，所述电感的另一端作为输入端；
其中，控制第一个桥臂至第n-1个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述单相交流电转换为直流电包括：给所述第一个桥臂至第n-1个桥臂的每个中的第一开关管和第二开关管提供互补的且占空比按相对应的单相交流电的电压大小变化的两个脉宽调制信号；或者
控制第二桥臂至第n个桥臂以脉宽调制方式工作使得所述可充电电池中的直流电升压后并传输至所述正直流母线和负直流母线中包括：控制所述第二桥臂至第n个桥臂的每个中的第一开关管截止，且给所述第二桥臂至第n个桥臂的每个中的第二开关管提供脉宽调制信号。
11.一种不间断电源，其特征在于，包括：
如权利要求1至7中任一项所述的多输入功率变换器；
可充电电池，其负极连接至负直流母线；以及
逆变器，其输入端的正极端子和负极端子分别连接至正直流母线和负直流母线，其输出端连接至交流输出端。
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