CN1310394C - 在线互动式不断电电源的供电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明系一种在线互动式(Line Interactive)不断电电源的供电方法及装置，于市电输入端系通过一高频AC/AC双向转换器进行升、降压转换，当市电电压偏高或偏低时，该高频AC/AC双向转换器将输出一补偿电压与市电电压串联叠加，而于市电模式下完成升压或降压动作，藉此可输出一稳定的额定电压予负载端。

Description

在线互动式不断电电源的供电方法及装置

技术领域

本发明是一种在线互动式不断电电源的供电方法及装置，尤指一种利用高频AC/AC双向转换器，配合交流控制的DELTA观念进行市电的降压、升压处理，以提供负载一稳定的工作电源。

背景技术

早期的不断电电源依其种类可分为在线式(on-line)及离线式(off-line)两大类，但是近来推出的在线互动式(line interactive)，其特性则介于两者之间，但就其电路动作特性与供电方式而言，应归类于离线式。以下仅就此三种类别作一简略说明：

1.在线式不断电系统：当市电正常供电时，市电会经滤波电路及突波吸收电路后，分为两个回路同步动作，其一是市电经由充电回路对至少一蓄电池组充电，另一方面市电是再经一整流电路后流入一变流器(inverter)，由变流器转换输出后的电源即为净化过的交流电源，可作为提供负载品质较佳的电源；若市电发生异常时，则改由该蓄电池组提供直流电源经前述变流器转换为交流后供电予负载。

2.离线式不断电系统：当市电正常供电时，直接供应予负载使用而不经过不断电系统，在此同时市电亦会经由一充电回路对蓄电池组充电，当市电发生供电不稳定或异常时，则藉由一静态开关(static switch)将供电回路切换成由该蓄电池组供电，而仍是藉由一变流器将蓄电池组的直流电源切换成交流供应予负载。

3.在线互动式不断电系统：其原理与前述离线式不断电系统相去不远，主要不同点在于此类产品在市电电压偏低或偏高的一定范围内，可对市电电压进行升、降压变换处理，尔后提供给负载而无须切换到电池模式。

而前述在线互动式不断电系统配备有一低频自耦变压器(Automaticvoltage regulation Transformer，AVR TX)，AVR即电压自动调整，是将输入的市电电压通过一切换自耦变压器的不同端点输出后，使UPS系统能容许较宽广的市电输入范围，如此即可减少蓄电池组必须放电的可能性，延长电池的寿命。而这种架构的缺点在于：

(1)AVR TX的体积笨重且庞大。

(2)AVR TX的调压采分段调压，故精确度较低。

(3)AVR TX调压时的效率不高。

(4)为了达到更宽广的市电输入范围，或更好的稳压效果，必须增加调压分段数，而不得不使用更多的切换开关，如继电器(Relay)，还要增加自耦变压器的输入或输出端点(tap)，造成变压器复杂，UPS控制繁复，整体的成本也跟着上升。

发明内容

为克服上述习用缺失，本发明的主要目的是提供一种在线互动式不断电电源的供电技术，其利用一高频AC/AC双向转换器取代习用体积庞大的自耦变压器，对市电输入进行降压、升压的转换处理，以供应负载一稳定的工作电源。

为达成前述目的，本发明的在线互动式不断电供电方法，其是依据市电的稳定度判断进入旁路模式、市电稳压模式或电池模式；其中在市电稳压模式下，若市电值过高，则提供一与市电反相位的补偿电压并与市电串加后供应予负载；若市电值过低，则提供一与市电同相位的补偿电压且与市电串加后供应予负载。

而实施前述方法的具体装置包括有：

一开关单元，设于市电与一高频AC/AC双向转换器之间，其中开关单元的第一输出端与第二输出端分别连接至第一、第二切换单元；

前述高频AC/AC双向转换器的两输入端分别连接前述开关单元的第一输出端与第二输出端，又该高频AC/AC双向转换器的输出端连接至前述第二切换单元；

于前述第一、第二切换单元之输出端供连接一负载；

当市电供电不稳定时，该高频AC/AC双向转换器工作于市电稳压模式下，进行AC-AC的操作模式，利用该高频AC/AC双向转换器输出一有效值较小、且与市电呈同相位或反相位的交流补偿电源，此交流补偿电源经前述第一、第二切换单元控制而与市电相串联后，即可达到升压或降压目的，以供应负载稳定的工作电压。

附图说明

图1：是本发明第一实施例的电路方块图。

图2：是本发明降压模式(BUCK MODE)的原理示意图。

图3：是本发明升压模式(BOOST MODE)的原理示意图。

图4：是本发明高频AC/AC双向转换器的第一实施例。

图5：是本发明高频AC/AC双向转换器的第二实施例。

图6：是本发明高频AC/AC双向转换器的第三实施例。

图7：是本发明高频AC/AC双向转换器的第一实施例于市电稳压模式下的电路动作图。

图8：是于升压模式下的电压、电流动作示意图。

图9：是于降压模式下的电压、电流动作示意图。

图10：是本发明高频AC/AC双向转换器的第一实施例于升压模式下之各晶体管开关的驱动波形图。

图11：是本发明高频AC/AC双向转换器的第一实施例于升压模式下的电压、电流波形图。

图12：是本发明高频AC/AC双向转换器的第一实施例于降压模式下的各晶体管开关的驱动波形图。

图13：是本发明高频AC/AC双向转换器的第一实施例于降压模式下的电压、电流波形图。

图14：以高频AC/AC双向转换器的第一实施例，结合至少一蓄电池后操作于电池模式的第一实施例。

图15：以高频AC/AC双向转换器的第一实施例，结合至少一蓄电池后操作于电池模式的第二实施例。

图16：以高频AC/AC双向转换器的第二实施例，结合至少一蓄电池后操作于电池模式的实施例。

图17：是本发明另一实施例的电路方块图。

图18：是本发明又一实施例的电路方块图。

(二)图号

10开关单元                    20第一切换单元

30第二切换单元                40直流供应单元

50高频AC/AC双向转换器         51第一晶体管组

52第二晶体管组                53第三晶体管组

L1～L4电感

O/P-1～O/P-3输出点

具体实施方式

在UPS的市电稳压模式的交流控制上，本发明是利用交流电压的″DELTA″控制观念加以实施，即两个同频率的交流电压可依据两者的相位差进行均方根值(V_rms)的相加或相减。例如两电压均方根值分别为A、ΔA进行加减时：

Asinx+ΔAsin(x+ω)＝Bsinx，

当A与ΔA两者的相位差ω＝0时，则B＝A+ΔA，两电压即进行相加；

反之当A与ΔA两者的相位差ω＝π时，则B＝A-ΔA，两电压即进行相减。

将上述观念导入本发明的在线互动式不断电电源时，在交流电压的控制方面，视市电输入电压为Asinx，而电压转换器的输出电压为ΔAsin(x+ω)，而两者串联相加后Bsinx即为供应予负载的输出电压。

在一定的电压、频率的容许范围内，可计算出输出电压(Bsinx)与市电输入电压Asinx的差值，此差值即代表转换器的输出电压ΔAsin(x+ω)，进而决定ΔAsin(x+ω)应为升压模式(BOOST MODE)或降压模式(BUCKMODE)。

请参考图1所示，为本发明的电路方块图，市电的两输入端为I/P-N(Neutral线)与I/P-L(Line线)，市电通过一开关单元10后进入一高频AC/AC双向转换器50。该开关单元10的一输出端点连接至第一切换单元20作为第一输出点O/P-1，且另一输出端则连接至第二切换单元30作为第三输出端点(O/P-3)，而前述高频AC/AC双向转换器50的输出端连接至第二切换单元30。

若输入的市电电源经过高频AC/AC双向转换器50变压转换后，由第二输出节点O/P-2输出一相对于第三输出点O/P-3的交流电压值。

三个输出点O/P-1～O/P-3依据不同的工作模式下，利用前述第一、第二切换单元20、30适当切换选择后，可供应负载稳定的工作电压，计有三种工作模式：

1.旁路(BY-PASS)模式：在输入的市电电压正常时，市电不经过任何电压转换而直接供应予负载，第一切换单元20切换至第一输出点O/P-1，而第二切换单元30则切换至第三输出点O/P-3，故市电直接由两输出点O/P-1、O/P-3供予负载。

2.市电稳压模式：在市电电压偏高或偏低时，第一切换单元20切换至第一输出点O/P-1，而第二切换单元30则切换至第二输出点O/P-2，故市电进入该高频AC/AC双向转换器50后，经由控制该转换器输出电压的相位与大小，即可与市电进行串联补偿，以达成升压、降压目的。

3.电池模式：当市电异常或断电时，改由蓄电池组供电，借由一变流器将蓄电池的直流电源切换成交流型态输出，而输出节点即采用第二输出点0/P-2与第三输出点O/P-3，此电池模式可根据不同实施例，结合前述高频AC/AC双向转换器50而实施。

请参阅图2与图3，是分别于市电稳压模式下进行降压与升压的原理示意图。如图2所示，在市电电压V1较高时，期望得到一比市电电压V1较低的输出电压V3，故串接一与市电反相位的电压源V2在市电与负载之间，而操作于降压模式(BUCK MODE)。反之，如图3所示，在市电电压V1较低时，输出予负载的电压必须较市电电压V1来得高，故串接一个与市电同相位的电压源V2于市电与负载之间，使之进入升压模式(BOOSTMODE)。

请参阅图4所示，为本发明高频AC/AC双向转换器50的第一实施例，主要由三组呈并联连接的晶体管组51～53(即晶体管M1-M6)、电感L1、L2及电容C1、C2组成，其中市电系由两输入端A、B送入高频AC/AC双向转换器50，经转换后由输出端C送予负载。

市电一端经过第一电感器L2后，连接至第一晶体管组51的串接节点，而市电的另一端，则另外连接至第二晶体管组52的中央串接节点。

于第三晶体管组53两晶体管的串接节点，再通过第二电感器L1而接至前述第二切换单元30(见图1)。

请参阅图5所示，该高频AC/AC双向转换器50第二实施例的架构大致上与第一实施例相同，但其中第二晶体管组52改由两串接电容器C2、C2A取代。

图6为高频AC/AC双向转换器50的第三实施例，其中原电感器L2已移除，而两电感器L3、L4则分别连接于第一晶体管组51与第二晶体管组52之间。第二晶体管组52与第三晶体管组53之间则再并接一组串联电容C2A、C2，且于第二晶体管组52与串联电容组C2A、C2之间再连接有两晶体管M9、M10。

请参阅图7所示，以前述图4所示高频AC/AC双向转换器50为例，工作于市电稳压模式下的电路动作图，图示中标示为V1者代表市电输入，而V2即表示高频AC/AC双向转换器50所输出的调变电压，而最终供应予负载使用的输出电压V3＝V1+V2。

举例而言，无论于升、降压模式下，若定义该高频AC/AC双向转换器50可调整的电压大小为额定输出电压的15％(即所需处理的能量仅为15％的输出功率)，且该高频AC/AC双向转换器50的转换效率为90％，则本在线互动式不断电系统效率将高达98.5％。其计算方式如下：

85％+(15％×0.9)＝98.5％

请参考图8、图9所示，分别为升压模式与降压模式下的电压、电流动作示意图。

升压模式(Boost Mode)：如图8中所示，若市电输入V1仅为额定输出电压VO的85％，则该高频AC/AC双向转换器50的输出电压V2必须提供15％的额定输出电压VO，即V2＝15％×VO，且必须为与市电输入的电压电流同相位，使得最终供应予负载的工作电压V3能维持于额定输出电压VO。其中藉由适当的控制前述高频AC/AC双向转换器50的各个晶体管M1～M6的开关时间，即可控制转换器50输出的电压大小及相位，各个晶体管之驱动波形如图10所示，而各主要节点的电压及电流波形则请参考图11所示。

降压模式(Bust Mode)：若市电之输入V1为115％的额定输出电压VO时，则高频AC/AC双向转换器50即扮演降压角色。如图9中所示，该高频AC/AC双向转换器50输出一与市电V1反相的电压V2，其仅为额定输出电压VO的15％，各个晶体管M1～M6的驱动波形即如图12所示，而各节点及电压电流波形如图13中所示。于图13中可得知电压V2相位与市电V1输入反相，故最终供给予负载的输出电压V3仍可维持在额定电压值VO。

请参阅图14所示，是以前述图4所示高频AC/AC双向转换器50为例，配合一直流供应单元40而工作于电池模式，其中该直流供应单元40系并接于第一组晶体管M5、M6与第三组晶体管M1、M3之间，由一DC/DC转换器及至少一蓄电池所组成。

图15所示仍以前述图4所示高频AC/AC双向转换器50为例，配合一直流供应单元40的另一配接方式，其中蓄电池是通过一开关元件与电感L2相连接。图16所示，为图5所示的高频AC/AC双向转换器50搭配一直流供应单元40工作于电池模式之下。

本发明的特点是以高频AC/AC双向转换器50对市电进行升、降压补偿，故其实施结构具有多种变化的可能性，如图17所示，为本发明的另一实施例。其与图1所示的电路方块图大致相同，但仅保留第二切换单元30，而负载的一端是连接至开关单元10。其中，旁路(BY-PASS)模式仍是以输出点O/P-1、O/P-3直接提供市电予负载，而市电稳压模式同样以输出点O/P-1、O/P-2供电，电池模式即以输出点O/P-2、O/P-3供电，故仍是与图1所示的输出方式相同。

而在图18中所示为本发明的再一实施例，其与图1所示的差异在于第一切换单元20的一端是直接连接至开关单元10，而无与第二切换单元30相接。

综上所述，为本发明较佳实施例的具体说明，而非用以限制本发明的申请专利范围，再者本发明确已具备前述优点，且相较于既有亦具备显著的功效增进。

Claims (9)

1.一种在线互动式不断电电源的供电方法，其依据市电的稳定度判断进入旁路模式、市电稳压模式或电池模式；其中在市电稳压模式下，若市电值过高，则提供一个与市电反相位的补偿电压并与市电串加后供应予负载；若市电值过低，则提供一个与市电同相位的补偿电压且与市电串加后供应予负载；前述补偿电压的频率与市电电压的频率相同。

2.如权利要求1所述的在线互动式不断电电源的供电方法，其特征在于：前述补偿电压以一个高频AC/AC双向转换器产生。

3.一种在线互动式不断电电源的供电装置，其包括有：

一个开关单元，其具有两个切换输出端，该开关单元设于市电输入与一个高频AC/AC双向转换器之间，又开关单元的两个输出端分别连接至一第一切换单元与一第二切换单元；

前述高频AC/AC双向转换器的两输入端分别连接前述开关单元的两个输出端，又该高频双向AC/AC转换器的一输出端连接至前述第二切换单元；

于前述第一、第二切换单元的输出端供连接一负载；

当市电供电不稳定时，该高频AC/AC双向转换器工作于市电稳压模式下，进行AC-AC的操作模式，利用该高频AC/AC双向转换器输出一有效值较小、且与市电呈同相位或反相位的交流补偿电源，此交流补偿电源经前述第一、第二切换单元控制而与市电相串联后，即可达到升压或降压目的，以供应负载稳定的工作电压，其中交流补偿电源的频率与市电的频率相同。

4.如权利要求3所述的在线互动式不断电电源的供电装置，其特征在于：该高频AC/AC双向转换器包括有：

三组呈并联连接的晶体管组，其中各晶体管组均以两晶体管串接组成，第一晶体管组连接开关单元的一个输出端，第二晶体管组连接开关单元的另一输出端，第三晶体管组连接至前述第二切换单元。

5.如权利要求3所述的在线互动式不断电电源的供电装置，其特征在于：该高频AC/AC双向转换器包括有：

二组呈并联连接的晶体管组，其中各晶体管组均以两个晶体管串接组成；

一个串接电容组，并接于前述二晶体管组之间；

其中，第一晶体管组连接开关单元的一个输出端，该串接电容组连接开关单元的另一个输出端，第二晶体管组连接至前述第二个切换单元。

6.如权利要求3所述的在线互动式不断电电源的供电装置，其特征在于：该高频AC/AC双向转换器包括有：

三组呈并联连接的晶体管组，其中各晶体管组均以两晶体管串接组成，第一晶体管组连接开关单元的一个输出端，第二晶体管组连接开关单元的另一个输出端，第三晶体管组连接至前述第二切换单元；

于前述第一晶体管组与第二晶体管组之间连接有两个电感；

于前述第二晶体管组与第三晶体管组之间并接有一串联电容组；

于前述第二晶体管组与该串联电容组之间连接有两个晶体管。

7.如权利要求4所述的在线互动式不断电电源的供电装置，其特征在于：于第一晶体管组与第二晶体管之间并接有一个直流供应电源。

8.如权利要求5所述的在线互动式不断电电源的供电装置，其特征在于：于第一晶体管组与该串接电容组之间并接有一个直流供应电源。

9.如权利要求4所述的在线互动式不断电电源的供电装置，其特征在于：于第一晶体管组的串接节点再连接一直流供应电源。

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