CN1165102C - 一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法,所述电路包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路和蓄电池接入支路,蓄电池接入支路包括蓄电池、第一开关、第五二极管,蓄电池负极与下半路功率因数校正电路相连,正极依次通过第一开关、第五二极管阳极、第五二极管阴极与上半路功率因数校正电路相连。其控制方法是按一低频周期分时控制第一、二功率开关的交替恒定导通时间。本发明的蓄电池接入方式元器件少,电路对称,控制简单、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法。
背景技术
随着计算机应用的日益普及,特别是网络通讯的不断发展,计算机网络设备等对电源的要求越来越高。供电故障将导致网络系统的瘫痪,重要数据丢失和程序破坏,有的甚至导致磁盘损坏,造成不可弥补的损失。不间断电源(简称UPS)能提供完全净化的、不间断的电源,是网络信息设备必备的重要外围设备。信息技术的发展,特别是网络技术的广泛运用,对UPS提出更高的要求,推动UPS技术的发展。而控制技术,微处理器技术及功率器件的进步,则为UPS的发展提供了可能。UPS产品也将随着网络系统的普及而越来越被广泛的应用。
当前中小功率的UPS电路比较流行的是采用高频链结构,如图1所示,前级为功率因数校正电路(简称PFC),后级直接用半桥逆变输出,电池的升压共用市电的PFC拓扑。该结构相当简洁,成本低,可靠性高,且输入输出零线共用,保证了用电器安全。
前级PFC一般采用倍压升压功率因数校正(Double Voltage BoostPFC)的方案。如图2所示,它是由两个Boost PFC组成,因二极管D1和D3的单向导电的特点,使得每个Boost变换器工作于电网的半个周期,而输出电压为每个Boost输出之和。上下两个PFC电路分别用各自的控制芯片控制,保证对应的输出稳压,输入电流为正弦半波。如在输入电压的正半周,二极管D1导通,D3截止,上路PFC电路工作,L1的电流为正弦半波,给C1和负载提供能量,此时下半路PFC不工作。当输入电源为负半周时,则情况正好相反。倍压Boost PFC电路具有以下特点,1)电路结构简单;2)输入输出共用零线,适用于UPS的前置级;3)输出电压高,且输出电压分别控制稳压,不存在电容电压均压问题。倍压Boost PFC电路具有以上特点,并且成熟可靠,业已成为中小功率单进单出UPS前置功率级的主流技术。但是,在现有产品的高频UPS结构中,蓄电池的挂接方式还存在电路复杂、元器件多的问题,而其控制方式所需电路也大多较为复杂。
发明内容
本发明的目的就是为了解决以上问题,提供一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法,所需元器件少,控制方式简单。
为实现上述目的,本发明提出一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法,所述根据原电路电感的数量不同,分为以下两种不同的表现形式,二者属于同一构思:
一、双电感:本电路包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路和蓄电池接入支路,所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关Q1、第一整流二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1和第一电感Lmain1,所述第一功率开关Q1的正端与第二二极管D2的阳极相连,负端与第一电容C1相连,第一电容C1的另一端与第二二极管D2的阴极相连,所述第一电感Lmain1一端与第一功率开关Q1的正端相连;下半路功率因数校正电路包括第二功率开关Q2、第三整流二极管D3、第四二极管D4、第二电容C2和第二电感Lmain2,第二功率开关Q2的负端与第四二极管D4的阴极相连,正端与第二电容C2相连,第二电容C2的另一端与第四二极管D4的阳极相连,第二电感Lmain2一端与第二功率开关Q2的负端相连;所述第一整流二极管D1的阳极和第三整流二极管D3的阴极相连并接于输入电源一端,电源另一端接两路功率因数校正电路的共同中线;第一整流二极管D1阴极与第一电感Lmain1另一端相连,第三整流二极管D3阳极与第二电感Lmain2另一端相连;其特征是:所述蓄电池接入支路包括蓄电池BATTERY、第一开关S1、第五二极管D5,蓄电池BATTERY负极与下半路功率因数校正电路中的第三整流二极管D3阳极相连,正极依次通过第一开关S1、第五二极管D5阳极、第五二极管D5阴极与上半路功率因数校正电路中的第一整流二极管D1阴极相连;所述第一、二功率开关(Q1、Q2)由各自的驱动脉冲和一个分时脉冲逻辑运算后控制。
二:单电感:本电路包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路和蓄电池接入支路,两路功率因数校正电路的共同中线接电源一端;所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关Q1、第一整流二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1和第一电感Lmain1,所述第一功率开关Q1的正端与第二二极管D2的阳极相连,负端与第一电容C1相连,第一电容C1的另一端与第二二极管D2的阴极相连,所述第一电感Lmain1一端通过第一二极管D1正向与第一功率开关Q1的正端相连;下半路功率因数校正电路包括第二功率开关Q2、第三整流二极管D3、第四二极管D4、第二电容C2和与上半路功率因数校正电路共用的第一电感Lmain1,第二功率开关Q2的负端与第四二极管D4的阴极相连,正端与第二电容C2相连,第二电容C2的另一端与第四二极管D4的阳极相连;所述第三二极管D3的阴极接第一整流二极管D1的阳极,阳极与第二功率开关Q2负端相连;其特征是:所述蓄电池接入支路包括蓄电池BATTERY、第一开关S1、第五二极管D5、第二开关S2,蓄电池BATTERY负极与第三整流二极管D3阳极相连,正极依次通过第一开关S1、第五二极管D5阳极、第五二极管D5阴极与第一电感Lmain1的另一端相连,第二开关S2一端和第五二极管D5的阴极相连,另一端接于电源另一端;所述第一、二功率开关(Q1、Q2)由各自的驱动脉冲和一个分时脉冲逻辑运算后控制。
所述控制方法的特征是:在蓄电池接入工作时,采用一个额外的分时脉冲,按一低频周期分时控制第一、二功率开关的交替恒定导通时间,使电路达到升压功能。
由于采用了以上的方案,蓄电池的接入十分简单,只需一个开关(接入开关)、一个二极管。当输入有交流电压时,蓄电池接入开关断开,倍压功率因数校正电路工作。当输入电源掉电时,蓄电池开关闭合,蓄电池接入。而其控制方式也可采用简单的分时控制方式来实现,控制方式简单。
附图说明
图1是采用高频链结构的不间断电源方框示意图。
图2是其中倍压功率因数校正电路原理图。
图3是本发明实施例一的蓄电池接入原理示意图。
图4是分时控制方式示意图。
图5a、5b、5c、5d是实施例一蓄电池供电时变换器的四种可能工作状态示意图。
图6是本发明实施例二的蓄电池接入原理示意图。
图7a、7b、7c、7d是实施例二蓄电池供电时变换器的四种可能工作状态示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一、见图3,双Boost电感方案:一种用于不间断电源的前级倍压电路,包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路和蓄电池接入支路,所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关Q1、第一整流二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1和第一电感Lmain1,所述第一功率开关Q1的正端与第二二极管D2的阳极相连,负端与第一电容C1相连,第一电容C1的另一端与第二二极管D2的阴极相连,所述第一电感Lmain1一端与第一功率开关Q1的正端相连;下半路功率因数校正电路包括第二功率开关Q2、第三整流二极管D3、第四二极管D4、第二电容C2和第二电感Lmain2,第二功率开关Q2的负端与第四二极管D4的阴极相连,正端与第二电容C2相连,第二电容C2的另一端与第四二极管D4的阳极相连,第二电感Lmain2一端与第二功率开关Q2的负端相连;所述第一整流二极管D1的阳极和第三整流二极管D3的阴极相连并接于输入电源一端,电源另一端接两路功率因数校正电路的共同中线;第一整流二极管D1阴极与第一电感Lmain1另一端相连,第三整流二极管D3阳极与第二电感Lmain2另一端相连;其特征是:所述蓄电池接入支路包括蓄电池BATTERY、第一开关S1、第五二极管D5,蓄电池BATTERY负极与下半路功率因数校正电路中的第三整流二极管D3阳极相连,正极依次通过第一开关S1、第五二极管D5阳极、第五二极管D5阴极与上半路功率因数校正电路中的第一整流二极管D1阴极相连。
由于Q1、Q2分别由两个控制器独立控制,若不采取适当的控制方式,本电路可能不能很好的工作,因此必须采取一种新的控制方式——分时控制方式,即在蓄电池接入工作时,采用一个额外的分时脉冲,按一低频周期分时控制第一、二功率开关Q1、Q2的交替恒定导通时间,使电路达到升压功能。其控制波形如图4所示。
参照图4的分时控制驱动波形原理图,Vgs1和Vgs2分别为上下两路PFC为满足输出稳压等条件,通过各自的控制电路输出的驱动脉冲。分时控制方式就是采用一个额外的分时脉冲,如图4中的Vshare,按一低频周期分时控制Q1、Q2的交替恒定导通时间。如t1~t2控制Q1管恒定导通,t2~t3控制Q2管恒定导通。这样恒定导通的那路PFC的控制电路功能被“屏蔽”,不起作用,而另一路控制电路能正常工作,故此称这种控制方式为分时控制方式。一般Vshare的周期为工频周期,并与逆变器输出同步同相位,以保证输出电容纹波的最小化。这样真正控制开关管的脉冲变为图4所示的Vgs1′和Vgs2′。显然,Vshare脉冲和Vgs1′、Vgs2′是十分容易产生的,如Vshare和Vgs1逻辑或一下即产生Vgs1′。
当蓄电池接入后的倍压PFC电路工作于分时控制方式时,变换器有以下多种工作状态,在此以[t1-t2]阶段为例说明,在其它时间段类似。
状态1和状态2为两种稳态时阶段的工作状态,即在t1-t2时间内开关Q1一直导通时电路可能的工作状态。状态1为Q1、Q2导通,D2、D4反向截止,蓄电池通过D5给L1,L2充电。状态2为Q1导Q2关断,D2反向截止,D4导通,蓄电池和电感能量给电容C2充电。
状态3和状态4为分时控制过渡时除稳态之外还可能发生的另外两种工作状态,即在t2时刻,开关Q1由一直导通转为相应控制器控制时,电路可能有四种工作状态。状态3为Q1、Q2断开,D2、D4导通,蓄电池和电感能量给电容C1、C2充电。状态4为Q1断开、Q2闭合,D2导通,D4截至,蓄电池和电感能量给电容C1充电。
实施例二、见图6,单Boost电感方案:与实施例一不同的是,它只包括一个电感,即第一电感Lmain1,但增加第二开关S2。所述两路功率因数校正电路共用第一电感Lmain1。所述第一功率开关Q1的正端与第二二极管D2的阳极相连,负端与第一电容C1相连,第一电容C1的另一端与第二二极管D2的阴极相连,所述第一电感Lmain1一端通过第一二极管D1正向与第一功率开关Q1的正端相连;下半路功率因数校正电路包括第二功率开关Q2、第三整流二极管D3、第四二极管D4、第二电容C2和与上半路功率因数校正电路共用的第一电感Lmain1,第二功率开关Q2的负端与第四二极管D4的阴极相连,正端与第二电容C2相连,第二电容C2的另一端与第四二极管D4的阳极相连;所述第三整流二极管D3的阴极接第一整流二极管D1的阳极,阳极与第二功率开关Q2负端相连;其特征是:所述蓄电池接入支路包括蓄电池BATTERY、第一开关S1、第五二极管D5、第二开关S2,蓄电池BATTERY负极与第三整流二极管D3阳极相连,正极依次通过第一开关S1、第五二极管D5阳极、第五二极管D5阴极与第一电感Lmain1的另一端相连,第二开关S2一端和第五二极管D5的阴极相连,另一端接于电源另一端。
对本例也采用相同的分时控制方式。其四种工作状态分别如图7a-7d所示。状态1和状态2为两种稳态时阶段的工作状态,即在t1-t2时间内开关Q1导通时电路可能的工作状态。状态1为Q1、Q2导通,D2、D4反向截止,蓄电池通过D5、D1给L1充电。状态2为Q1导通Q2关断,D2反向截止,D4导通,蓄电池和电感能量通过D5、D1给电容C2充电。
状态3和状态4为分时控制过渡时可能发生的其它两种工作状态,即在t2时刻,开关Q1由一直导通转为相应控制器控制时电路还可能的工作状态。状态3为Q1、Q2断开,D2、D4导通,蓄电池和电感能量给电容C1、C2充电。状态4为Q1断开、Q2闭合,D2导通,D4截至,蓄电池和电感能量给电容C1充电。
Claims (3)
1、一种用于不间断电源的前级倍压电路,包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路和蓄电池接入支路,所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关(Q1)、第一整流二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一电容(C1)和第一电感(Lmain1),所述第一功率开关(Q1)的正端与第二二极管(D2)的阳极相连,负端与第一电容(C1)相连,第一电容(C1)的另一端与第二二极管(D2)的阴极相连,所述第一电感(Lmain1)一端与第一功率开关(Q1)的正端相连;下半路功率因数校正电路包括第二功率开关(Q2)、第三整流二极管(D3)、第四二极管(D4)、第二电容(C2)和第二电感(Lmain2),第二功率开关(Q2)的负端与第四二极管(D4)的阴极相连,正端与第二电容(C2)相连,第二电容(C2)的另一端与第四二极管(D4)的阳极相连,第二电感(Lmain2)一端与第二功率开关(Q2)的负端相连;所述第一整流二极管(D1)的阳极和第三整流二极管(D3)的阴极相连并接于输入电源一端,电源另一端接两路功率因数校正电路的共同中线;第一整流二极管(D1)阴极与第一电感(Lmain1)另一端相连,第三整流二极管(D3)阳极与第二电感(Lmain2)另一端相连;其特征是:所述蓄电池接入支路包括蓄电池(BATTERY)、第一开关(S1)、第五二极管(D5),蓄电池(BATTERY)负极与下半路功率因数校正电路中的第三整流二极管(D3)阳极相连,正极依次通过第一开关(S1)、第五二极管(D5)阳极、第五二极管(D5)阴极与上半路功率因数校正电路中的第一整流二极管(D1)阴极相连;所述第一、二功率开关(Q1、Q2)由各自的驱动脉冲和一个分时脉冲逻辑运算后控制。
2、一种用于不间断电源的前级倍压电路,包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路和蓄电池接入支路,两路功率因数校正电路的共同中线接电源一端;所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关(Q1)、第一整流二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一电容(C1)和第一电感(Lmain1),所述第一功率开关(Q1)的正端与第二二极管(D2)的阳极相连,负端与第一电容(C1)相连,第一电容(C1)的另一端与第二二极管(D2)的阴极相连,所述第一电感(Lmain1)一端通过第一整流二极管(D1)正向与第一功率开关(Q1)的正端相连;下半路功率因数校正电路包括第二功率开关(Q2)、第三整流二极管(D3)、第四二极管(D4)、第二电容(C2)和与上半路功率因数校正电路共用的第一电感(Lmain1),第二功率开关(Q2)的负端与第四二极管(D4)的阴极相连,正端与第二电容(C2)相连,第二电容(C2)的另一端与第四二极管(D4)的阳极相连;所述第三整流二极管(D3)的阴极接第一整流二极管(D1)的阳极,阳极与第二功率开关(Q2)负端相连;其特征是:所述蓄电池接入支路包括蓄电池(BATTERY)、第一开关(S1)、第五二极管(D5)、第二开关(S2),蓄电池(BATTERY)负极与第三整流二极管(D3)阳极相连,正极依次通过第一开关(S1)、第五二极管(D5)阳极、第五二极管(D5)阴极与第一电感(Lmain1)的另一端相连,第二开关(S2)一端和第五二极管(D5)的阴极相连,另一端接于电源另一端;所述第一、二功率开关(Q1、Q2)由各自的驱动脉冲和一个分时脉冲逻辑运算后控制。
3、一种用于权利要求1或2所述的用于不间断电源前级倍压电路的控制方法,其特征是:在蓄电池接入工作时,采用一个额外的分时脉冲,按一低频周期分时控制第一、二功率开关(Q1、Q2)的交替恒定导通时间,使电路达到升压功能。
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