CN114207984B - 电源系统和包括电源系统的不间断电源 - Google Patents

电源系统和包括电源系统的不间断电源 Download PDF

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Abstract

一种电源系统(10)包括：AC输入(101)、AC输出(103)和DC输入(102)；DC中间电路(150)；第一转换器(210)，经由第一双稳态开关电路(310)连接在AC输入(101)与DC中间电路(150)之间；第二转换器(220)，经由第二双稳态开关电路(320)连接在DC中间电路(110)与AC输出(103)之间；第三转换器(230)，经由第三双稳态开关电路(330，331)连接在DC输入(102‑1，102‑2)与DC中间电路(150)之间；旁路电路(250)，经由旁路双稳态开关电路(350)连接在AC输入(101)与AC输出(103)之间并且被配置为提供从AC输入(101)到AC输出(103)的旁路路径；以及控制单元(500)，被配置为控制电源系统的多个操作模式中的操作模式，其中在多个操作模式中的每个操作模式下，双稳态开关电路(310，320，330，331，350)中的至少一个双稳态开关电路处于电流隔离状态。

Description

电源系统和包括电源系统的不间断电源
技术领域
本公开涉及一种电源系统和一种包括电源系统的不间断电源。
背景技术
具有多个转换器(例如，AC/DC转换器、DC/DC转换器和DC/AC转换器)的电源系统通常可以在不间断电源(UPS)中找到。在典型的UPS配置中，负载——例如，信息处理系统，诸如计算机——不直接连接到并网的AC电源线，而是通过电源系统的中介，该电源系统选择性地从电网AC电源线供电，或者——在电网上发生电力短缺、停电等的情况下——从备用能源供电。通常，使用电池作为备用能源。
常规的电源系统是已知的，其中DC中间电路或DC链路用于将各种输入功率源集中分配给输出转换器(DC/AC转换器)。负载连接到输出转换器的输出。DC中间电路经由适当的输入转换器被提供有输入功率。输入转换器的示例包括用于从AC电网侧向DC中间电路提供输入能量的AC/DC转换器、以及用于以适当电压电平从DC备用能源(通常为电池或电池组)向DC中间电路提供输入能量的DC/DC转换器。
常规地，机电断路器(例如，接触器、标准继电器、电机驱动隔离开关等)用于将不同转换器与AC或DC电源和负载断开连接和隔离。接触器和标准继电器需要保持电流来维持其位置中的至少一个；因此，必须提供专用的保持电路或锁定电路，并且功耗增加。电机驱动隔离开关的开关时间或转变时间相对较慢。
因此，需要具有相对较低功耗和/或允许相对较快开关或转变时间的电源系统。
发明内容
在本公开的一方面，提供了一种电源系统。该电源系统包括AC输入、AC输出和DC输入。该电源系统还包括DC中间电路、第一转换器、第二转换器、第三转换器、旁路电路和控制单元。
第一转换器经由第一双稳态开关电路连接在AC输入与DC中间电路之间。第二转换器经由第二双稳态开关电路连接在DC中间电路与AC输出之间。第三转换器经由第三双稳态开关电路连接在DC输入与DC中间电路之间。旁路电路经由旁路双稳态开关电路连接在AC输入与AC输出之间。旁路电路被配置为提供从AC输入到AC输出的旁路路径。
控制单元被配置为使得它控制电源系统的操作模式，使得从电源系统的多个模式中选择或可选择操作模式。在多个操作模式中的每个操作模式下，双稳态开关电路中的至少一个双稳态开关电路处于电流隔离状态。通常，在每个操作模式下，双稳态开关电路中的至少一个双稳态开关电路被选择性地带入或控制为——即，从第一状态切换、更具体地开关到第二状态，使得它——处于电流隔离状态。不言而喻，术语“电源系统的操作模式中的每个操作模式”是指(详尽地)电源系统的所有操作模式，并且除此之外，电源系统没有另外的操作模式。
DC中间电路或DC链路通常是电压DC链路或电流DC链路。通常，DC中间电路提供电源系统的中点参考电位或内部参考电位。
第一转换器、第二转换器和第三转换器中的任何一个或全部可以各自是多个转换器或转换器级的转换器组件。
如本文中使用的，单元连接在一个元件与另一元件之间的表述通常是指单元的输入侧与一个元件的连接、以及单元的输出侧与另一元件的连接。例如，第一转换器连接在AC输入与DC中间电路之间通常表示第一转换器的输入侧连接到AC输入并且第一转换器的输出侧连接到DC中间电路。
如本文中使用的，单元的连接经由某个元件的表述通常是指其中元件被置于连接中间的连接。例如，经由第一双稳态开关电路连接在AC输入与DC中间电路之间的第一转换器通常表示以下中的一项：第一转换器的输入侧连接到第一双稳态开关电路的一侧，第一双稳态开关电路的另一侧连接到AC输入，并且第一转换器的输出侧连接到DC中间电路；或者，第一变换器的输入侧连接到AC输入，并且第一变换器的输出侧连接到第一双稳态开关电路的一侧，并且第一双稳态开关电路的另一侧连接到DC中间电路。
AC输入通常可连接到AC电源线，诸如AC电网。AC输出通常可连接到AC负载，诸如要从DC中间电路供电的设备，而DC中间电路又选择性地从AC输入、DC输入或这两者被供电。
在实施例中，操作模式至少包括旁路电路连接模式和旁路电路隔离模式，在旁路电路连接模式下，旁路双稳态开关电路处于导电状态，在旁路电路隔离模式下，旁路双稳态开关电路处于电流隔离状态。如本文中使用的，在导电状态下，旁路电路连接到AC输入和AC输出。同样，如本文中使用的，在开路状态下，旁路电路与AC输入或AC输出隔离，或者与AC输入和AC输出两者隔离。
在实施例中，控制单元还被配置为检测系统状态。根据该实施例，控制单元还被配置为根据检测到的系统状态选择操作模式。系统状态包括以下中的一项或多项：旁路电路缺陷系统状态、电网缺失状态和电池断开连接状态。此外，系统状态可以包括待机或维护状态以及系统关闭状态中的一种或多种。
在该实施例中，在旁路电路缺陷系统中，旁路电路隔离模式被选择，其中旁路双稳态开关电路被操作为处于电流隔离状态。在该实施例中，在电网缺失状态下，旁路电路和主电网隔离模式被选择，其中旁路双稳态开关电路被操作为处于电流隔离状态并且其中第一双稳态开关电路被操作为处于电流隔离状态。在该实施例中，在电池断开连接状态下，电池隔离模式被选择，其中第三双稳态开关电路被操作为处于电流隔离状态。在该实施例中，在待机或维护状态下，AC输出隔离模式被选择，其中第二双稳态开关电路被操作为处于电流隔离状态。在该实施例中，在系统关闭状态下，电池和AC输出隔离模式被选择，其中第二双稳态开关电路被操作为处于电流隔离状态并且其中第三双稳态开关电路被操作为处于电流隔离状态。
在又一实施例中，双稳态开关电路中的一个或多个在没有保持电流的情况下操作。换言之：在某些实施例中，控制单元可以控制操作模式，从而将双稳态开关电路中的至少一个双稳态开关电路切换、更具体地开关到电流隔离状态，并且可能将双稳态开关电路中的至少另一个双稳态开关电路切换到导电状态，而无需(直接或间接)连续提供电流以维持电流隔离状态和导电状态中的任一个。在又一表达方式中，并且不限于：在第一双稳态开关电路、第二双稳态开关电路、第三双稳态开关电路或旁路双稳态开关电路中的一个或多个双稳态开关电路中，可以使用诸如锁存继电器或锁存接触器之类的锁存电路代替标准继电器或接触器。
在又一实施例中，双稳态开关电路中的一个或多个双稳态开关电路包括选自由以下各项组成的组中的一个或多个开关元件：双稳态继电器、双稳态接触器、由双稳态仿真模式电路操作的单稳态继电器、由双稳态仿真模式电路操作的单稳态接触器、由双稳态仿真模式电路操作的半导体开关。在这一点上，通常，在控制的单稳态元件附近设置有一个专用的双稳态仿真模式电路。如本文中使用的双稳态仿真模式电路通常提供对应的常规单稳态元件(继电器、接触器)，该元件具有切换功能。尽管双稳态仿真模式电路必须向这样的单稳态元件提供保持电流以维持该状态中的一个(通常为导电状态)，但保持电流生成和提供从控制单元转移到相应单稳态元件附近的位置。因此，在一种配置中，可以混合单稳态元件加上对应的双稳态仿真电路和双稳态元件。此外，缩短了保持电流供电线的长度。
在又一实施例中，双稳态开关电路中的一个或多个包括并联连接的一个或多个开关元件。以这种方式，可以增加支路中的载流能力。
在又一实施例中，控制单元被配置为通过提供一个或多个开关脉冲来控制双稳态开关电路中的任何一个。开关脉冲可以是DC开关脉冲。通常，开关脉冲的持续时间是有限的，诸如但不限于10ms到100ms。开关脉冲可以具有与相应双稳态开关电路的期望状态、即电流隔离状态或导电状态相对应的极性。在这一点上，控制单元可以向待控制的双稳态开关电路中的任何一个提供相同极性的多个DC开关脉冲。以这种方式，可以确保状态的转变。
在前述实施例中，在将双稳态开关电路中的任何一个控制为期望状态时，控制单元可以被配置为向相应双稳态开关电路提供开关脉冲，确定相应双稳态开关电路是否已经建立期望状态，并且，如果没有建立期望状态，则向相应双稳态开关电路提供另一开关脉冲。通常，控制单元可以被配置为向相应双稳态开关电路提供多个开关脉冲，确定相应双稳态开关电路是否已经建立期望状态，并且如果没有建立期望状态，则向相应双稳态开关电路提供另外的多个开关脉冲。
在又一实施例中，双稳态开关电路中的一个或多个包括驱动电路。驱动电路被配置为检测紧急状态，并且当检测到紧急状态时，将对应的双稳态开关电路切换、特别是开关到电流隔离状态。紧急状态可以包括以下中的一种或多种：控制单元的故障、控制单元的误操作、AC输入的预定电压特性。特别地，AC输入的预定电压特性可以包括AC输入电压(例如，AC电网电压)在预定时间量内下降到低于预定阈值。
在另外的实施例中，控制单元包括处理器设备。控制单元被配置为在处理器设备的初始化过程期间保持双稳态开关电路中的一个或多个双稳态开关电路的相应状态(例如，导电状态或电流隔离状态)。具体地，控制单元被配置为在处理器设备的初始化过程期间保持所有双稳态开关电路的相应状态。以这种方式，处理器设备的重启操作(初始化过程)不会导致双稳态开关电路出现任何不可预测的状态。因此，控制单元(例如，DSP或微控制器)可以重新启动，并且在双稳态开关电路中使用的双稳态继电器等在其先前状态上保持稳定，而没有任何不可预测的转变。
在前述实施例中，控制单元可以被配置为在不执行开关操作的情况下、特别是在不引起双稳态开关电路退出先前状态的情况下确定一个或多个双稳态开关电路的状态。
在另外的实施例中，控制单元可以包括存储器以保留、保持或存储双稳态开关电路中的一个或多个双稳态开关电路的状态。存储器优选地被配置为在控制单元的所有条件下、特别是在其中控制单元未通电、重置、重启、通电、断电、被维持、被重新编程、处于睡眠或休眠模式或任何其他条件下保留所存储的状态。存储器可以是非易失性的。存储器可以包括单独的电源，诸如电池。存储器可以被配置为由控制单元访问以检索双稳态开关电路中的一个或多个双稳态开关电路的所存储的状态。存储器可以被配置为由控制单元访问以存储双稳态开关电路中的一个或多个双稳态开关电路的状态。该状态可以以预定义或随机间隔存储。当双稳态开关电路中的一个或多个双稳态开关电路的状态改变时，该状态可以被存储。在优选实施例中，存储在存储器中的状态基本上一直对应于一个或多个双稳态开关电路的状态。能够访问一个或多个双稳态开关电路的所存储的状态可以允许控制单元建立电源系统的当前状态，而无需对一个或多个双稳态开关电路执行任何主动操作，诸如开关或确定其状态。
根据本公开的另一方面，不间断电源包括如本文所述的电源系统。
利用当前描述的配置，例如，可以采用锁存元件代替单稳态元件。例如，锁存继电器可以实现效率优化，并且市场上可供选择的设备使它们基于成本与电流额定值的对比而具有吸引力。由于锁存继电器在控制功率被移除之后维持其触点位置，因此可以实现节电。此外，与接触器相反，锁存继电器可以直接安装在PCBA上，从而提高功率密度并且降低系统复杂性。
附图说明
下面结合附图对本公开的实施例进行说明，在附图中：
图1是根据实施例的电源系统的电路图。
具体实施方式
图1示出了根据实施例的包括电源系统10的布置的电路图。AC输入101经由诸如手动开关或可控开关之类的开关111连接到AC电网1001。AC输出经由诸如手动开关之类的开关113连接到AC负载1003。两个不同极性的侧102-1、102-2形成DC输入。在本实施例中，外部连接到DC输入102-1、102-2的是电池1002，但这仅作为示例而非作为限制。
本实施例中的第一转换器210是AC/DC转换器，该AC/DC转换器用于将从AC输入101接收的电力转换为DC电力，并且将所得到的DC电力馈送到DC中间电路150或DC链路。通常，第一转换器210是升压转换器。本实施例中的第二转换器220是DC/AC转换器，该DC/AC转换器用于将从DC中间电路150接收的电力转换为AC电力，并且将所得到的AC电力馈送到AC输出103。本实施例中的第三转换器230是DC/DC转换器，该DC/DC转换器用于将从DC输入102-1、102-2接收的电力转换为适用于DC中间电路150的DC电力，并且将所得到的DC电力馈送到DC中间电路150。
第一转换器210经由第一双稳态开关电路310连接在AC输入101与DC中间电路150之间。在本实施例中，第一双稳态开关电路310位于AC输入与第一转换器210的输入侧之间；然而，第一双稳态开关电路310也可以位于第一转换器210的输出侧与DC中间电路之间。
第二转换器220经由第二双稳态开关电路320连接在DC中间电路150与AC输出103之间。在本实施例中，第二双稳态开关电路320位于第二转换器220的输出侧与AC输出103之间；然而，第二双稳态开关电路320也可以位于第二转换器220的输入侧与DC中间电路150之间。
第三转换器230经由第三双稳态开关电路330、331连接在DC输入102-1、102-2与DC中间电路150之间。
旁路电路250连接在AC输入101与AC输出103之间。旁路电路选择性地或可控地提供从AC输入101到AC输出103的旁路路径。AC输入101与AC输出103之间的旁路电路250的连接经由旁路双稳态开关电路350。
所有双稳态开关电路310、320、330、331、350能够经由控制单元500控制。控制单元控制从多个操作模式中可选择的操作模式。在每个操作模式下，双稳态开关电路310、320、330、331、350中的至少一个被控制以使得其处于电流隔离状态。
在本实施例中，双稳态开关电路310、320、330、331、350在没有保持电流的情况下操作。因此，本实施例的双稳态开关电路310、320、330、331、350是或包括双稳态继电器作为开关元件；然而，双稳态开关电路310、320、330、331、350中的一个或多个也可以是或包括双稳态接触器(未示出)、由双稳态仿真模式电路操作的单稳态继电器(未示出)、由双稳态仿真模式电路操作的单稳态接触器(未示出)、或由双稳态仿真模式电路操作的半导体开关(未示出)。此外，该配置不限于每个双稳态开关电路310、320、330、331、350一个开关元件，并且多个开关元件可以例如并联连接。
控制单元500被配置为根据相应操作模式的要求来将双稳态开关电路310、320、330、331、350中的每个从第一状态切换、特别是开关到第二状态。在本实施例中，但不限于：控制单元向要切换、特别地要开关的双稳态开关电路310、320、330、331、350中的相应的一个或多个双稳态开关电路提供一个或多个单极DC开关脉冲；根据相应双稳态开关电路310、320、330、331、350的期望目标状态与所选择的操作模式相协调地选择开关脉冲的极性。
操作模式包括以下各项：
在旁路电路连接模式下，旁路双稳态开关电路350处于导电状态，从而将旁路电路250连接到AC输入101和AC输出103。在旁路电路隔离模式下，旁路双稳态开关电路350处于电流隔离状态或开路状态，从而将旁路电路250与AC输入101和/或AC输出103隔离。以这种方式，在电网正常操作的情况下，电网电压可以经由AC输入101直接连接到AC输出103处的负载1003。
操作模式还可以包括以下中的一项或多项：
在旁路电路缺陷系统状态下，旁路电路被认为有缺陷(例如，故障)。在旁路电路缺陷系统状态下，旁路电路隔离模式被选择，其中旁路双稳态开关电路350被操作为处于电流隔离状态。
在电网缺失状态下，认为没有AC电力，即，无论出于何种原因都不可能从电网向AC输入101提供AC电力。在电网缺失状态下，旁路电路和主电网隔离模式被选择，其中旁路双稳态开关电路350被操作为处于电流隔离状态并且其中第一双稳态开关电路310被操作为处于电流隔离状态。
在电池断开连接状态下，认为电池1002断开连接或不向DC输入102-1、102-2输送任何电力。在电池断开连接状态下，电池隔离模式被选择，其中第三双稳态开关电路330、331被操作为处于电流隔离状态。
在待机或维护状态下，系统100处于待机操作，或系统100上将执行维护操作。在待机或维护状态下，AC输出隔离模式被选择，其中第二双稳态开关电路320被操作为处于电流隔离状态。
在系统关闭状态下，系统关闭，即(暂时)发生故障(out of order)。在系统关闭状态下，电池和AC输出隔离模式被选择，其中第二双稳态开关电路320被操作为处于电流隔离状态并且其中第三双稳态开关电路330、331被操作为处于电流隔离状态。
根据本实施例，双稳态开关电路310、320、330、331、350中的一个或多个包括被配置为检测紧急状态的驱动电路(未示出)。紧急状态可以例如包括短路状态、过压或过流状态、电网缺失状态等。当驱动器电路检测到紧急状态时，将对应开关电路310、320、330、331、350切换到电流隔离状态。以这种方式，可以像使用单稳态继电器或接触器一样执行安全操作，同时不需要提供保持电流。
注意，虽然以上描述是指特定实施例，但技术人员将认识到，其中描述的特征可以适当地组合，和/或其中的一个或多个特征可以适当地改变或省略，而不脱离本申请的主旨，本申请的范围由权利要求限定。

Claims (14)

1.一种电源系统(10)，包括：
AC输入(101)、AC输出(103)和DC输入(102-1，102-2)；
DC中间电路/DC链路(150)；
第一转换器(210)，经由第一双稳态开关电路(310)连接在所述AC输入(101)与所述DC中间电路(150)之间；
第二转换器(220)，经由第二双稳态开关电路(320)连接在所述DC中间电路(150)与所述AC输出(103)之间；
第三转换器(230)，经由第三双稳态开关电路(330，331)连接在所述DC输入(102-1，102-2)与所述DC中间电路(150)之间；
旁路电路(250)，经由旁路双稳态开关电路(350)连接在所述AC输入(101)与所述AC输出(103)之间，并且被配置为提供从所述AC输入(101)到所述AC输出(103)的旁路路径；以及
控制单元(500)，被配置为控制所述电源系统的多个操作模式中的操作模式，其中在所述多个操作模式中的每个操作模式下，所述双稳态开关电路(310，320，330，331，350)中的至少一个双稳态开关电路处于电流隔离状态，
其中所述操作模式至少包括：
旁路电路连接模式，在所述旁路电路连接模式下，所述旁路双稳态开关电路(350)处于导电状态；以及
旁路电路隔离模式，在所述旁路电路隔离模式下，所述旁路双稳态开关电路(350)处于所述电流隔离状态，并且
其中所述控制单元(500)还被配置为检测系统状态并且根据检测到的系统状态从所述多个操作模式中选择操作模式，所述系统状态和所选择的操作模式包括：
旁路电路缺陷系统状态，在所述旁路电路缺陷系统状态下，旁路电路隔离模式被选择，其中所述旁路双稳态开关电路(350)被操作为处于所述电流隔离状态。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述系统状态和所选择的操作模式还包括以下中的一项或多项：
a.电网缺失状态，在所述电网缺失状态下，旁路电路和主电网隔离模式被选择，其中所述旁路双稳态开关电路(350)被操作为处于所述电流隔离状态，并且其中所述第一双稳态开关电路(310)被操作为处于所述电流隔离状态；
b.电池断开连接状态，在所述电池断开连接状态下，电池隔离模式被选择，其中所述第三双稳态开关电路(330，331)被操作为处于所述电流隔离状态。
3.根据权利要求2所述的电源系统，其中所述系统状态和所选择的操作模式还包括以下中的一项或多项：
c.待机或维护状态，在所述待机或维护状态下，AC输出隔离模式被选择，其中所述第二双稳态开关电路(320)被操作为处于所述电流隔离状态；
d.系统关闭状态，在所述系统关闭状态下，电池和AC输出隔离模式被选择，其中所述第二双稳态开关电路(320)被操作为处于所述电流隔离状态并且其中所述第三双稳态开关电路(330，331)被操作为处于所述电流隔离状态。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电源系统，
其中所述双稳态开关电路(310，320，330，331，350)中的一个或多个双稳态开关电路在没有保持电流的情况下操作。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电源系统，
其中所述双稳态开关电路(310，320，330，331，350)中的一个或多个双稳态开关电路包括选自以下各项组成的组中的一个或多个开关元件：双稳态继电器、双稳态接触器、由双稳态仿真模式电路操作的单稳态继电器、由双稳态仿真模式电路操作的单稳态接触器、由双稳态仿真模式电路操作的半导体开关。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电源系统，
其中所述双稳态开关电路(310，320，330，331，350)中的一个或多个双稳态开关电路包括并联连接的一个或多个开关元件。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的电源系统，
其中所述控制单元(500)被配置为通过提供一个或多个开关脉冲来控制所述双稳态开关电路(310，320，330，331，350)中的任何一个。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的电源系统，
其中所述控制单元(500)被配置为通过提供一个或多个DC开关脉冲来控制所述双稳态开关电路(310，320，330，331，350)中的任何一个。
9.根据权利要求8所述的电源系统，
其中所述控制单元(500)被配置为向待控制的所述双稳态开关电路(310，320，330，331，350)中的任何一个双稳态开关电路提供相同极性的多个DC开关脉冲。
10.根据权利要求7所述的电源系统，
其中所述控制单元(500)在将所述双稳态开关电路(310，320，330，331，350)中的任何一个双稳态开关电路控制为期望状态时被配置为向相应双稳态开关电路(310，320，330，331，350)提供一个或多个开关脉冲，确定所述相应双稳态开关电路(310，320，330，331，350)是否已经建立所述期望状态，并且如果没有建立所述期望状态，则向所述相应双稳态开关电路(310，320，330，331，350)提供另外的一个或多个开关脉冲。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的电源系统，
其中所述双稳态开关电路(310，320，330，331，350)中的一个或多个双稳态开关电路包括驱动电路，所述驱动电路被配置为检测紧急状态，并且当所述紧急状态被检测到时将对应开关电路切换到所述电流隔离状态。
12.根据权利要求11所述的电源系统，
其中所述紧急状态包括以下中的一项或多项：所述控制单元(500)的故障、所述控制单元(500)的误操作、所述AC输入(101)的预定电压特性。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的电源系统，
其中所述控制单元(500)包括处理器设备，其中所述控制单元(500)被配置为在所述处理器设备的初始化过程期间保持所述双稳态开关电路(310，320，330，331，350)中的一个或多个双稳态开关电路的相应状态。
14.一种不间断电源，包括根据权利要求1至3中任一项所述的电源系统。
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