CN1284212A - 变频器和使用变频器的ups - Google Patents

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Abstract

不间断电源(UPS)包括变压器,低压变换器(02),整流器,和高压倒相器(01)。电压变换器包括电池,第一开关器件(Q3),第二开关器件(Q4),和第一驱动装置(41,42)。高压倒相器(01)包括第一和第二负载端子,适合于在紧急情形下耦合到负载两端;输出电容(C);第三开关器件(Q1)和第四开关器件(Q2),以及第二驱动装置(43,44),用于把第三和第四开关器件从导通状态驱动到非导通状态或反之亦然,以便在负载端上产生准正弦输出电压波形。

Description

变频器和使用变频器的UPS
本发明与同一个日期提交的、题目为“Novel Charger(新颖的充电器)”的、共同待决的专利申请序列号NO.＿，(代理人档案号EXEL-0367)有关，该专利申请在此引用，以供参考。
          发明领域
本发明总的涉及改进的变频器，以及涉及对于采用所述改进的变频器的不间断电源(UPS)的改进的拓扑结构。
          发明背景
不间断电源被使用来在其中主电力线电源不能提供电能(例如，因为线路故障)的“紧急”情形期间提供电功率给负载。UPS拓扑结构是熟知的。它们典型地采用60Hz变压器和需要笨重的贮存装置。本发明的目标是消除由于这些部件的物理尺寸和花费而对于这样的60Hz变压器和笨重的贮存装置的需要．本发明的进一步的目标是提供UPS拓扑结构，其中主开关元件被连接到中性线，因为这样的参考开关容易用信号控制而不采用变压器或其它隔离装置。此外，只需要单个供电电源用于门驱动电路，由此减小复杂性和成本。另外，本发明的一个目标是提供带有最小元件数的改进的UPS拓扑。
          发明概要
按照本发明的一个优选实施例的不间断电源(UPS)包括具有初级绕组和次级绕组的变压器；低压变换器，包括提供DC(直流)电压的电池，第一开关器件，第二开关器件，和用于把开关器件从导通状态驱动到非导通状态或反之亦然的第一驱动装置；整流器，用于把在次级绕组上的第一AC(交流)电压变换成在第一输出端上的第一高DC电压(2*V，其中“V”是想要的输出电压)和在第二输出端上的第二高DC电压(-2*V)；以及一个高压变换器(O1)，包括被耦合到负载端的输出电容(C)，第三开关器件(Q1)和第四开关器件(Q2)(其中Q1和Q2被分别耦合到电阻R1和R2)，以及第二驱动装置(43，44)，用于把第三和第四开关器件从导通状态驱动到非导通状态或反之亦然，以便当负载被耦合到其上时在负载端上产生准正弦输出电压。输出电压的特征在于，其幅度在正的峰值(V)与负的峰值(-V)之间变化。
在UPS的本优选实施例中，第一驱动装置以载频或第二频率(f2)交替地驱动第一和第二开关器件从导通状态到非导通状态，第二频率，例如，在15-25kHz的范围，更具体地，在示例性实施例中，第二频率大约为20kHz。而且，准正弦输出电压波形优选地特征在于大约60Hz的基波频率或第一频率，以及每个第一、第二、第三、和第四开关器件优选地包括晶体管。通常，按照本发明，第一频率大大低于第二频率。在优选实施例中，电池电压是大约12伏DC，以及准正弦输出电压在+160伏和-160伏之间变化。
本发明的另一个方面提供了变频器，它把具有一个频率的一对输入电压变换成具有另一个频率的、出现在输出端与地之间的输出电压。本发明的变频器包括被耦合在一对输入端之间的整流装置，该装置具有一对用于提供出现在其上的整流电压的端子；以及被耦合在输出端子与地之间的电容装置，用于滤波输出电压。
变频器的本优选实施例也包括发生器电路，用于提供一对输入电压。发生器装置优选地包括供电电源装置，用于提供具有所述一个频率的电压，以及一对电磁耦合的电感装置，用于把供电电源装置的电压变换成一对输入电压。供电电源装置电压被加到一个电感装置上，以及另一个电感装置被耦合在输入端之间，并且具有被耦合到输出端的一个抽头。此外，发生器装置包括具有一对端子的电源装置，用于提供DC电压；以及一对第二开关装置，用于选择地把DC电压加到所述的一个电感装置。所述的一个电感装置具有一对端子和被耦合到一个电源装置端子的第二抽头，以及第二开关装置被分开地耦合到电感装置端子和另一个电源装置端子。在优选实施例中，另一个电源装置端子被耦合到地。
变频器的本优选实施例也包括具有一对端子的发生器装置，用于提供出现在端子上的辅助电压，以及具有一对辅助端子的第二开关装置，用于选择地把一个辅助端子耦合到一个发生器端子或输出端和用于选择地把另一个辅助端子分别耦合到另一个发生器端子或地，其中输出电压出现在辅助端子两端。另一个辅助端子和另一个发生器端子被耦合到地。辅助电压优选地具有基本上等于所述另一个频率的频率。
下面揭示本发明的其它特性。
          附图简述
图1示意地显示按照本发明的改进的UPS拓扑。
图2显示本发明的UPS的电池变换器段的节点31和32上的电压波形。
图3显示本发明的UPS的高压变换器段的节点12，14，和16上的电压波形。
          优选实施例详细描述
如上所述，可以通过本优选实施例说明本发明，其中本发明包括改进的UPS。另外，本发明可以更一般地被看作为可以应用于其它的非UPS技术的改进的变频器。所以，以下的优选实施例的详细描述首先提供作为改进的UPS的本发明的描述，然后作为改进的变频器来考虑本发明。
UPS描述
本发明的UPS拓扑在多个方面上不同于先前的设计。首先，变压器(T)不直连续接到中性点，直连续接使得它是“不灵活的”电压源，而是允许它根据高压倒相器开关的状态相对于中性点移动，如图1所示。电路由三个主要部分组成。第一部分01是高压输出段，也被称为高压倒相器，它包括晶体管Q1，Q2；电阻R1，R2；和由微处理器100控制的门驱动电路43，44。在本发明的本优选实施例中的门驱动电路43，44由被连接到微处理器的分立元件组成。(这样的门驱动电路在技术上是熟知的，所以，在本技术说明中将不作详细描述。)第二部分02是低压电池变换器段，它包括电池(B)(例如，12伏电池)；一对晶体管Q3，Q4；和相应的门驱动电路41，42(例如，Unitrode(单极管)UCC 3806集成电路)。电池变换器段02通过变压器和桥式整流器被耦合到高压倒相器段01，如图所示。第三部分50是转接装置，用来在正常和紧急运行之间切换。在正常运行期间，负载被连接到电力线，以及在紧急运行期间，负载被连接到UPS。其中转接装置检测到紧急指示(没有电力线功率)和把负载切换到UPS的状况是熟知的，这里不作描述。变压器T的中心抽头的次级通过线10被耦合到输出电容(C)，如图所示。
电池变换器02以类似于电力线频率的低的频率被调制。调制使得电池变换器在某些部分的时间间隔内运行，然后在其余的周期内禁止电池变换器工作，如图2所示。为了在负载上产生60Hz输出波形，这种调制应当是120Hz的速率或电力线频率的两倍。当电池变换器运行时，晶体管Q3和Q4在ON(接通)部分期间以50％占空比运行在推挽方式。这个运行频率(图2上的“第二频率”)大大地高于电力线频率。典型的运行频率是在十倍基波频率和约100kHz之间，优选地是20kHz。当电池变换器运行时，变压器的次级绕组和整流器在节点12和14之间产生DC电压。这个DC电压是想要的输出电压“V”的两倍。例如，在节点12和14之间的电压差可以是320伏DC(其中想要的输出电压是160伏)。
在高压输出段01，晶体管Q1和Q2交替地导通，把DC电压加到负载上。当Q1导通时，正的DC电压端12通过电阻R1被连接到中性点。高压绕组的中心抽头现在为-V。这个负的电压在电池变换器运行的ON(接通)时间间隔期间被加到负载节点16上。当电池变换器被禁止时，通过Q1和Q2的同时导通，电压-V主动地从负载去除。这实际上使负载短路，产生“低阻抗”零值。这对于感性负载阻止节点16上的电压非控制地变化是必须的。刚好在电池变换器继续运行之前，晶体管Q1被切换到非导通状态。当电池变换器在这时运行时，在节点14上的负的电压被连接到中性点，以及高压绕组的中心抽头处的电压是+V电位。如上所述，这个电压在电池变换器运行期间被加到负载上。再次地，当电池变换器被禁止时，电压+V被主动地去除，以产生“低阻抗”零电压。这一系列事件以“第一频率”重复进行(图3)，所以在负载上产生幅度为V的准方波电压。图3上显示了所描述的电压。
电阻R1和R2提供对晶体管Q1和Q2的电流保护。在低阻抗零值和输出电容C的充电期间，可能流过损坏晶体管的电流。被插入在Q1和Q2的源极连接中的电阻R1和R2将刚好在损坏电流流过以前减小栅极电压。减小的栅极电压将使得晶体管运行在线性区，导致晶体管中有限的电流。
当电力线电压完全足够直接供电给负载时，电池变换器段和高压输出段停止运行，以及通过转接装置50使得电力线直连续接到负载。
如上所述，器件Q1，Q2，Q3，和Q4被连接到门驱动电路43，44，41，和42。门驱动被连接到控制电路，图上未示出。在这个拓扑上显示出，没有电池充电器装置，但在上述的共同待决的专利申请序列号No.＿(代理人档案号EXEL-0367)中显示了一个充电器装置。
变频器
如上所述，本发明提供了变频器。变频器把具有一个频率的一对输入电压变换成具有另一个频率的、出现在输出端与地之间的输出电压。本发明的变频器包括被耦合在“输入端”33和34(即，变压器(T)的次级端子)之间的整流器(由二极管D1，D2，D3和D4组成)。一对端子12，14提供了出现在其上的整流的电压；以及一对开关装置(Q1，Q2)，被分开地耦合到整流器端子和进一步连接到地，选择地把整流器端子耦合到地。被耦合在输出端与地之间的电容C滤波输出电压。变频器的“输出电压”是在电容C上测量的。
“发生器装置”，例如，包括变压器T和低压电池变换器段(包括电池B，晶体管Q3，Q4，和门驱动电路41，42)，提供一对输入电压到整流器。所以，发生器装置可以被描述为包括供电电源装置，用于提供具有所述一个频率的电压，以及一对电磁耦合的电感装置(例如，变压器T)，用于把供电电源装置的电压变换成变频器的一对输入电压。供电电源装置电压被加到一个电感装置(即，变压器初级)，以及另一个电感装置被耦合在整流器的输入端之间，以及具有被耦合到电容C的输出端的一个抽头。
本发明和以下的权利要求的保护的范围，不限于上述的具体的本优选实施例。例如，在优选实施例中，电池的负端被连接到电力线中性点，以使得供电电源数目最小化。有可能把电池连接到地，和提供隔离的电池控制。也有可能把电池的一个端子连接到中性点，以达到减小控制复杂性的目的(优选实施例)。而且，在本优选实施例中使用的晶体管是MOSFET，它具有内部反并联的二极管。可以使用其它器件，例如带有反并联二极管的IGBT。而且，不用推挽的电池变换器，而可以使用桥式变换器，其特征为四个开关元件和单个初级绕组，代替中心抽头的绕组。再者，输出可被调制和滤波，以产生正弦波输出波形，以及带有单个次级绕组的变压器可被采用来在一个以上的地点产生高压。

Claims (30)

1．供电电源，包括：
变压器(T)，具有初级绕组和次级绕组，每个所述初级绕组和次级绕组具有第一末端、第二末端、和一个中心端，所述初级绕组的所述中心端被做成连接到DC供电电源的第一端子，所述次级绕组的所述中心端被做成连接到负载的第一端子；
第一倒相器(02)，被耦合到所述初级绕组的所述第一和第二末端，以及具有一个输入端，被做成连接到DC供电电源的第二端子，所述第一倒相器用来把所述初级绕组的所述第一和第二末端的一个端子交替耦合到DC供电电源的第二端子，以产生在所述变压器的所述次级绕组的所述第一和第二末端之间的第一AC电压；
整流器(D1，D2，D3，D4)，被耦合到所述次级绕组的所述第一和第二末端，以及用来整流第一AC电压，以产生在所述整流器的第一输出端和第二输出端之间的整流的DC电压；以及
第二倒相器(01)，被耦合到所述整流器的所述第一和第二输出端，以及具有一个输出端，被做成连接到负载的第二端子，所述第二倒相器用来在连续的时间间隔期间以第一频率把所述整流器的所述第一和第二输出端的一个端子交替耦合到负载的第二端子，由此产生在负载上的第二AC电压，
其中所述第一倒相器用来在所述第二倒相器在负载的第二端子与所述整流器的所述第一和第二输出端之间切换连接周期地出现的时间间隔期间，把所述初级绕组的所述第一和第二末端与DC供电电源的第二端子断开耦合。
2．按照权利要求1的供电电源，其特征在于，其中所述所述第一倒相器用来在连续的时间间隔期间以高于所述第一频率的第二频率把所述初级绕组的所述第一和第二末端的一个端子交替耦合到DC供电电源的第二端子。
3．按照权利要求2的供电电源，其特征在于，其中所述第二倒相器用来在所述周期地出现的时间间隔期间把所述整流器的所述第一和第二输出端都耦合到负载的第二端子。
4．按照权利要求3的供电电源，其特征在于，其中所述第二倒相器用来在所述周期地出现的时间间隔期间把所述整流器的所述第一和第二输出端都耦合到负载的第二端子，然后，在所述第一倒相器把所述初级绕组的所述第一和第二末端之一连接到DC供电电源的第二端子之前，把所述整流器的所述第一和第二输出端之一与负载的第二端子断开耦合。
5．按照权利要求3的供电电源，其特征在于，其中所述第二频率小于100kHz。
6．按照权利要求5的供电电源，其特征在于，其中所述第二AC电压具有的基波频率约为所述第一频率的一半。
7．按照权利要求5的供电电源，其特征在于，其中第二AC电压的基波频率大约是60Hz，以及其中所述第二频率是在从十倍的所述基波频率到100kHz的范围内。
8．按照权利要求3的供电电源，其特征在于，其中所述第一倒相器包括：
第一开关，被连接在所述输入端与所述初级绕组的所述第一末端之间，所述第一开关用来把所述初级绕组的所述第一末端与DC供电电源的第二端子耦合和断开耦合；
第二开关，被连接在所述输入端与所述初级绕组的所述第二末端之间，所述第二开关用来把所述初级绕组的所述第二末端与DC供电电源的第二端子耦合和断开耦合；以及
控制装置，用于控制所述第一和第二开关，以选择地耦合所述初级绕组的所述第一和第二末端到DC供电电源的第二端子。
9．按照权利要求8的供电电源，其特征在于，其中所述第一和第二开关包括各自的第一和第二晶体管。
10．按照权利要求3的供电电源，其特征在于，其中所述第二倒相器包括：
第一开关，被连接在所述整流器的所述第一输出端与所述第二倒相器的所述输出端之间，所述第一开关用来把所述整流器的所述第一输出端与负载的第二端子耦合和断开耦合；
第二开关，被连接在所述整流器的所述第二输出端与所述第二倒相器的所述输出端之间，所述第二开关用来把所述整流器的所述第二输出端与负载的第二端子耦合和断开耦合；以及
控制装置，用于控制所述第一和第二开关，以选择地耦合所述整流器的所述第一和第二输出端到负载的第二端子。
11．按照权利要求10的供电电源，其特征在于，其中所述第一和第二开关包括各自的第一和第二晶体管。
12．按照权利要求1的供电电源，其特征在于，还包括耦合装置，用于耦合负载的所述第一端子到所述初级绕组的所述中心端或外部AC供电电源之一。
13．按照权利要求1的供电电源，其特征在于，还包括电容器，它被耦合在所述次级绕组的所述中心端和所述第二倒相器的所述输出端之间。
14．按照权利要求1的供电电源，其特征在于，还包括电池，它被耦合在所述初级绕组的所述中心端和所述第一倒相器的所述输入端之间。
15．按照权利要求1的供电电源，其中所述初级绕组的所述中心端被做成耦合到AC电源系统的线导体，以及其中所述第二倒相器被耦合到所述整流器的所述第一和第二输出端，以及具有一个输出端，被做成连接到AC电源系统的中性导体，所述第二倒相器用来在连续的时间间隔期间以第一频率把所述整流器的所述第一和第二输出端的一个端子交替耦合到负载的第二端子，由此产生在AC电源系统的线导体与中性导体之间的第二AC电压。
16．供电电源，包括：
变压器(T)，具有初级绕组和次级绕组，每个所述初级绕组和次级绕组具有第一末端，第二末端和一个中心端，所述初级绕组的所述中心端被做成连接到DC供电电源的第一端子，所述次级绕组的所述中心端被做成连接到AC电源系统的线导体；
第一倒相器(02)，被耦合到所述初级绕组的所述第一和第二末端，以及具有一个输入端，被做成连接到DC供电电源的第二端子，所述第一倒相器用来把所述初级绕组的所述第一和第二末端的一个端子交替耦合到DC供电电源的第二端子，以产生在所述变压器的所述次级绕组的所述第一和第二末端之间的第一AC电压；
整流器(D1，D2，D3，D4)，被耦合到所述次级绕组的所述第一和第二末端，以及用来整流第一AC电压，以产生在所述整流器的第一输出端和第二输出端之间的整流的DC电压；以及
第二倒相器(O1)，被耦合到所述整流器的所述第一和第二输出端，以及具有一个输出端，被做成连接到AC电源系统的中性导体，所述第二倒相器用来在连续的时间间隔期间以第一频率把所述整流器的所述第一和第二输出端的一个端子交替耦合到AC电源系统的中性导体，由此产生在AC电源系统的线导体与中性导体之间的第二AC电压。
17．按照权利要求16的供电电源，其特征在于，其中所述第一倒相器用来在所述第二倒相器在AC电源系统的中性导体与所述整流器的所述第一和第二输出端之间切换连接周期地出现的时间间隔期间，把所述初级绕组的所述第一和第二末端与DC供电电源的第二端子断开耦合。
18．按照权利要求17的供电电源，其特征在于，其中所述所述第一倒相器用来在连续的时间间隔期间以高于所述第一频率的第二频率把所述初级绕组的所述第一和第二末端的一个端子交替耦合到DC供电电源的第二端子。
19．按照权利要求18的供电电源，其特征在于，其中所述第二倒相器用来在所述周期地出现的时间间隔期间把所述整流器的所述第一和第二输出端都耦合到AC供电电源的中性导体。
20．按照权利要求19的供电电源，其特征在于，其中所述第二倒相器用来在所述周期地出现的时间间隔期间把所述整流器的所述第一和第二输出端都耦合到AC电源系统的中性导体，然后，在所述第一倒相器把所述初级绕组的所述第一和第二末端之一连接到DC供电电源的第二端子之前，把所述整流器的所述第一和第二输出端之一与AC电源系统的中性导体断开耦合。
21．按照权利要求18的供电电源，其特征在于，其中所述第二频率小于100kHz。
22．按照权利要求21的供电电源，其特征在于，其中所述第二AC电压具有的基波频率约为所述第一频率的一半。
23．按照权利要求21的供电电源，其特征在于，其中第二AC电压的基波频率大约是60Hz，以及其中所述第二频率是在从十倍的所述基波频率到100kHz的范围内。
24．按照权利要求19的供电电源，其特征在于，其中所述第一倒相器包括：
第一开关，被连接在所述输入端与所述初级绕组的所述第一末端之间，所述第一开关用来把所述初级绕组的所述第一末端与DC供电电源的第二端子耦合和断开耦合；
第二开关，被连接在所述输入端与所述初级绕组的所述第二末端之间，所述第二开关用来把所述初级绕组的所述第二末端与DC供电电源的第二端子耦合和断开耦合；以及
控制装置，用于控制所述第一和第二开关，以选择地耦合所述初级绕组的所述第一和第二末端到DC供电电源的第二端子。
25．按照权利要求24的供电电源，其特征在于，其中所述第一和第二开关包括各自的第一和第二晶体管。
26．按照权利要求19的供电电源，其特征在于，其中所述第二倒相器包括：
第一开关，被连接在所述整流器的所述第一输出端与所述第二倒相器的所述输出端之间，所述第一开关用来把所述整流器的所述第一输出端与AC电源系统的中性导体耦合和断开耦合；
第二开关，被连接在所述整流器的所述第二输出端与所述第二倒相器的所述输出端之间，所述第二开关用来把所述整流器的所述第二输出端与AC电源系统的中性导体耦合和断开耦合；以及
控制装置，用于控制所述第一和第二开关，以选择地耦合所述整流器的所述第一和第二输出端到AC电源系统的中性导体。
27．按照权利要求26的供电电源，其特征在于，其中所述第一和第二开关包括各自的第一和第二晶体管。
28．按照权利要求26的供电电源，其特征在于，还包括耦合装置，它用于耦合AC电源系统的线导体到所述初级绕组的所述中心端或外部AC供电电源之一。
29．按照权利要求16的供电电源，其特征在于，还包括电容器，它被耦合在所述次级绕组的所述中心端和所述第二倒相器的所述输出端之间。
30．按照权利要求16的供电电源，其特征在于，还包括电池，它被耦合在所述初级绕组的所述中心端和所述第一倒相器的所述输入端之间。
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