CN1336709A

CN1336709A - 一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法

Info

Publication number: CN1336709A
Application number: CN01125170A
Authority: CN
Inventors: 张华建
Original assignee: ANSHENG ELECTRIC Co Ltd SHENZHEN CITY
Current assignee: ANSHENG ELECTRIC Co Ltd SHENZHEN CITY
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2002-02-20
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: CN1165102C

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

一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法

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BoostPFC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、整流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Lmain1一端与第二功率开关Q2的负端相连；所述整流电路包括第一、三整流二极管D1、D3，所述第一二极管D1的阳极和第三二极管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；第一二极管D1阴极与第一电感Lmain1另一端相连，第三二极管D3阳极与第二电感Lmain1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一二极管D1阴极相连；所述第一、二功率开关(Q1、Q2)除与各自的驱动脉冲相连外，还与一个分时脉冲相连，驱动脉冲与分时脉冲的关系是逻辑与的关系。

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、整流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；所述整流电路包括第一、三整流二极管D1、D3，所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关Q1、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相连，另一端接于电源另一端；所述第一、二功率开关(Q1、Q2)除与各自的驱动脉冲相连外，还与一个分时脉冲相连，驱动脉冲与分时脉冲的关系是逻辑与的关系。

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、整流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Lmain1一端与第二功率开关Q2的负端相连；所述整流电路包括第一、三整流二极管D1、D3，所述第一二极管D1的阳极和第三二极管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；第一二极管D1阴极与第一电感Lmain1另一端相连，第三二极管D3阳极与第二电感Lmain1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逻辑与一下即产生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：所迷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

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、整流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(Lmain1)一端与第二功率开关(Q2)的负端相连；所述整流电路包括第一、三整流二极管(D1、D3)，所述第一二极管(D1)的阳极和第三二极管(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；第一二极管(D1)阴极与第一电感(Lmain1)另一端相连，第三二极管(D3)阳极与第二电感(Lmainl)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一二极管(D1)阴极相连；所述第一、二功率开关(Q1、Q2)除与各自的驱动脉冲相连外，还与一个分时脉冲相连，驱动脉冲与分时脉冲的关系是逻辑与的关系。

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、整流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；所述整流电路包括第一、三整流二极管(D1、D3)，所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关(Q1)、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)相连，另一端接于电源另一端；所述第一、二功率开关(Q1、Q2)除与各自的驱动脉冲相连外，还与一个分时脉冲相连，驱动脉冲与分时脉冲的关系是逻辑与的关系。

3、一种用于上述不间断电源的控制方法，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。