CN1969439A - 用于提供不间断功率的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不间断电源装置，其使得能够在主电源故障的情况下向被供电的负载提供紧急电源。本发明的目的在于提供一种用于供应不间断功率的装置，该装置可以以更节能的方式工作，并且其中紧急功率可以以快速而安全的方式被控制。为此，不间断电源装置(10)具有功率晶体管(42)，其可被快速地切换，并在紧急电源操作期间可用于连接备用电源(60)到输出连接(100，101)。输出电流还可以以相应的方式借助于驱动可快速切换的功率晶体管被动态地限制。此外，UPS装置(10)的输入和输出可以借助于使用作为功率晶体管的场效应晶体管(22)被解耦。

Description

用于提供不间断功率的装置
本发明涉及按照权利要求1、12和14的前序部分所述的用于提供不间断功率的装置。
为了在即使主电源故障的情况下，确保电子装置和系统例如专用计算机网络的功能性，使用所谓的UPS(不间断电源)系统。在主电源电压故障的情况下，UPS系统确保电子装置或系统通过UPS系统以紧急电源供电。换句话说，在主电源故障的情况下，UPS系统确保该系统从主电源操作转换成紧急电源操作。只要主电源再次开始工作，UPS系统便从紧急电源操作转换成主电源操作。
本发明的目的在于，提供一种用于提供不间断功率的装置，该装置可以以比常规的UPS装置低的功率损耗操作。本发明的另一个目的在于提供一种用于在紧急电源操作期间限制输出电流的措施。本发明还有一个目的在于，使用户连接另一个电气或电子元件比较容易。
在一方面，本发明借助于权利要求1的特征解决了所述的技术问题。
按照所述的权利要求，提供一种用于提供不间断功率的装置(也简称为UPS装置)，所述装置具有用于连接到一次电源装置的输入连接，用于连接备用电源的连接，用于连接负载的第一输出连接，用于在一次电源装置故障的情况下解耦所述输入连接和所述第一输出连接的装置，第一可控开关装置，用于在一次电源装置故障的情况下使备用电源和第一输出连接以受控方式相连，以及被分配给第一可控开关装置的控制装置。此外，第一可控开关装置具有可被快速切换的功率晶体管。还提供监视装置，用于监视流过可被快速切换的功率晶体管的输出电流。所述控制装置被设计用于根据被监视的电流而脉宽调制可被快速切换的功率晶体管，以便限制在紧急电源操作期间由备用电源提供的电流。
在此时机应当说明，一次电源装置例如可以是直流电源单元或提供交流电压的电源系统。备用电源可以包含一个或多个可充电电池。不过，备用电源也可以包含交流电源。
为了能够阻止在主电源操作期间通过可快速切换的功率晶体管流入备用电源的电流，一个二极管和所述快速功率晶体管串联，所述二极管在紧急电源操作期间被正向操作，在主电源操作期间被反向操作。
为了平滑UPS装置的输出电压，在第一输出连接之间连接电容器。该电容器特别用于平滑由可快速切换的功率晶体管在紧急电源操作期间提供的脉宽调制电流。此外，当从主电源操作向紧急电源操作转换时，该电容器确保补偿在过程中发生的切换延迟。
一般使用常规的二极管或肖特基二极管解耦UPS装置的输入和输出。该二极管以这种方式连接，使得在主电源操作期间其向UPS装置的输出运送输入电流。在紧急电源操作期间，它们阻止紧急电流能够分路到UPS装置的输入。常规二极管或肖特基二极管的缺点在于，在主电源操作期间，在这些二极管上发生相当高的功率损耗，这是由正向电压和电源电流的乘积引起的。为了能够减少在主电源操作期间解耦装置的功率损耗，和二极管并联地连接第二可控开关装置，最好是作为功率晶体管的场效应晶体管。在导通状态下，和常规二极管相比，这种场效应晶体管的压降较小，结果，和使用二极管相比，功率损耗被大大减小。由于解耦装置中的功率损耗的减小，可以使用较小的散热器，因而使得UPS装置的生产成本较低。在这种情况下，监视装置被设计用于监视输入电压，如果被监视的输入电压用信号表示在一次电源装置中存在故障，则控制装置切断第二可控开关装置。
在此时机应当说明，一次电源装置中的故障被理解为有意义的不允许的电压波动，不过特别是指一次电源装置的总故障。
如果备用电源是可充电电池，则在充电装置被连接在输入连接和可充电的备用电源之间，所述充电装置在主电源操作期间可对备用电源充电，并可被控制装置控制。如果一次电源装置提供交流电流，则充电装置被分配整流器。该整流器可被有利地连接在输入连接和解耦装置之间。如果整流器被提供在另一个位置，则第二可控开关装置需要呈双向开关的形式。
为了能够提高UPS装置的性能，和第一输出连接并联地提供限流电源输出，其在主电源操作期间和紧急电源操作期间都工作。电源输出通过限流器被连接到第一输出连接。限流器可以具有整流器，如果输入电压是交流电压，则该整流器能被连接。限流器还和二极管串连连接，该二极管使到限流电源输出的电流通过，但是阻断来自电源输出的电流。这阻止了来自UPS装置的反馈。
根据用户的意愿，外部装置例如状态信令装置可以和限流电源输出联合工作。为此，UPS装置具有至少一个第三可控开关装置，其最好是继电器，例如转换继电器，旨在用于连接和断开至少一个状态信令装置。状态信令装置可被连接到各自的被分配给第三可控开关装置的第二输出连接，被分配给第三可控开关装置的第三输出连接被设置离开限流电源输出一个预定的距离。这使得能够使用预定的接触桥使限流电源输出对第三输出连接短路。这使得继电器和状态信令装置能够以简单和安全的方式连线，并避免不正确的布线。
还可以借助于权利要求12的特征解决上述的技术问题。
按照所述权利要求，按照特征部分的用于提供不间断功率的装置具有包括二极管和第二可控开关装置的并联电路，其形成解耦装置。还提供监视装置用于监视输入电压。如果被监视的输入电压通过信号表示在一次电源装置中的故障，则UPS装置的控制装置断开第二可控开关装置。
第二可控开关装置可以是功率晶体管，特别是场效应晶体管。如上所述，从在主电源操作期间可以减少功率损耗的事实可以看出使用和二极管并联的场效应晶体管的优点。
上述的技术问题同样被权利要求14的特征解决了。
所述权利要求描述了一种用于提供不间断功率的装置，该装置具有和第一输出连接并联连接的限流电源输出。
这使得能够改善UPS装置的性能，这是因为电气装置例如状态信令装置可以以简单而安全的方式被连接。
优选地，提供至少一个第二可控开关装置，用于连接和断开至少一个状态信令装置，所述状态信令装置可被连接到被分配给第二开关装置的各自的第二输出连接。被分配给第二开关装置的至少一个第三输出连接也被设置离开限流电源输出一个预定距离。
这使得能够使用预定的接触桥短路限流电源输出到至少一个第三输出连接。以相对于第三输出连接合适限定的方式设置限流电源输出，使得第二开关装置能够以简单而安全的方式接线。第二可控开关装置是继电器，优选是转换继电器。
唯一的一个附图表示用于提供不间断功率(UPS)的装置，其在下面被简称为UPS装置。所述UPS装置总体上用标号10表示。在输入侧，UPS装置10具有两个输入端90、91，一次电源装置230和其相连，在本例中，所述电源装置提供直流电压UE。一次电源装置230可以是24V电源单元或24V的电源系统。在输出侧，UPS装置10具有两个输出端100和101，要被供电的负载220和其相连。解耦装置20被连接在输入端90和输出端100之间。解耦装置20具有并联电路，包括二极管和作为功率晶体管工作的场效应晶体管22，二极管21的阴极连接被连接到输出端100，而阳极连接被连接到输入连接90。场效应晶体管22的源极连接S连接到二极管21的阳极连接，而场效应晶体管22的漏极D连接到二极管21的阴极连接。场效应晶体管22的栅极连接G连接到控制和监视装置30、31。控制和监视装置30、31用这种方式被设计，使得在主电源操作期间，其通过栅极连接G导通场效应晶体管22，在紧急电源操作期间，使场效应晶体管截止。在输入侧，控制和监视装置30、31和场效应晶体管22的源极连接S相连，并和场效应晶体管22的漏极D相连，以便能够监视和估计UPS装置10的输入电压。控制和监视装置30、31根据被监视的输入电压而驱动场效应晶体管22的栅极连接G，以便在主电源操作期间减少功率损耗。为此，在主电源操作期间，使用控制和监视装置30、31使场效应晶体管22导通，因而桥接二极管21。
UPS装置10还具有两个输入端190和191，备用电源60和其相连。如本例中那样，备用电源60可以是可充电电池。在这种情况下，在主电源操作期间对可充电电池60充电的充电单元50连接在输入端90和连接端190之间。充电单元50本身是一种已知的装置，并自动地检测可充电电池60何时已充电。充电装置50同样使用控制和监视装置30、31用下述方式被驱动，使得在紧急电源操作期间，充电电池60不被充电。在此时机应当说明，充电装置50提供多种功能。首先，限制可充电电池60的充电电流。其还使充电电压在充电期间适应可充电电池60的要求。例如当一次电源装置230必须提供最大负载电流时结束充电。当充电电池60已充电时，电池充电也被停止。
另一个开关装置40和二极管70串连连接在连接端190和输出端100之间。开关装置40包含功率晶体管42，其可以被快速切换，并是场效应晶体管42的形式，这和生产规定的反向二极管41一道被说明。在这个实施例的改型中，可快速切换的场效应晶体管42的漏极连接D被连接到连接端190，而源极连接端S连接到二极管70的阳极连接端。二极管70的阴极连接连接到输出端100。可快速切换的场效应晶体管42的栅极连接G连接到控制和监视装置30、31的输出。二极管70以这样的方式被连接，使得在紧急电源操作期间其被正向偏置，在主电源操作期间被反向偏置，因此使用开关装置40阻止在主电源操作期间可充电电池60的充电。电容器80被连接在输出端100和101之间，其尤其用于平滑在紧急电源操作期间由可充电电池60提供的电压。和二极管70一道，开关装置40不仅用于解耦可充电电池60和输出端100、101，而且还用于在紧急电源操作期间限制紧急电流。为此，紧急电流，即流过场效应晶体管42的紧急电源操作的电流被控制和监视装置30、31监视和估计。根据测量的紧急电流，可快速切换的场效应晶体管42通过栅极G被脉宽调制，因而使得能够减少电流。
在此时机，应当简要地指出，备用电源60是否在UPS装置10的内部，或者如图所示可被连接在外部，这和本发明无关，在一种等效的方式中，备用电源也被称为备用电压源。
按照本发明的另一个方面，和输出端100、101并联地设置限流电源输出130。电源输出130通过二极管180和限流器110连接到输出端100。二极管180的阴极连接连接到电源输出130，而二极管180的阳极连接连接到限流器110的输出。这避免了通过电源输出130从UPS装置10反馈。
UPS装置10最好还具有转换继电器，其激励电路用标号120表示，而转换继电器的输出电路用标号122表示。在输出侧，转换继电器的激励电路连接到控制和监视装置30、31。在本例中，输出电路122具有3个连接140、160和170。各个发光二极管200和210可以连接到连接160和170，以便用信号表示UPS装置10的状态。例如，发光二极管200用信号表示UPS装置10正在用主电源操作，而发光二极管210的点亮可用信号表示UPS装置10正在用紧急功率操作。输出电路122的另一个连接触点140被设置离开电源输出130一个固定的预定距离。可以使用相应地限定的可插入的跳线150，用于短路电源输出130和输出电路122的输出端140。这使得能够或者在主电源操作期间利用输入电压UE，或者在紧急电源操作期间通过可充电电池60，以无故障且安全的方式对转换继电器的输出电路122供电。转换继电器的操作方法是公知的，因此省略其详细说明。
如上所述，场效应晶体管42还用于在紧急电源操作期间限制负载电流。如果控制和监视装置30、31检测到通过场效应晶体管42的电流变得太大，则功率开关40被截止，在一个短的停止之后，场效应晶体管42再被导通。导通和截止周期取决于通过场效应晶体管42的漏极和源极的被监视的电流的幅值，该电流被控制和监视装置30、31监视和估计。在紧急电源操作期间，例如和当使用继电器的情况下相比，控制和监视装置30、31和场效应晶体管42一道确保以显著更快、更可靠的方式限制大的短路电流。为了阻止可充电电池60在主电源操作期间被充电，提供二极管70，这是因为场效应晶体管不能阻断反向电压，如使用反向二极管41所图示的。由于借助于控制和监视装置30、31和场效应晶体管42进行的动态电流限制，可以使UPS装置10的输出特性曲线适应于电源的常规输出特性曲线，并且及早并可靠地限制峰值电流。
下面简要说明UPS装置10的操作方法。
为了比较简单地进行说明，假定直流电压UE，例如24V直流电压，被提供给输入端90和91。该输入电压被控制和监视装置30、31在场效应晶体管22的源极连接S和漏极连接D处被分接、监视和估计。只要输入电压UE在规定的允许范围内，UPS装置10便用主电源操作。这意味着场效应晶体管22通过栅极连接G保持导通状态。如果可充电电池60尚未被充分充电，则使用充电装置50对可充电电池60充电。在主电源操作期间，使用控制和监视装置30、31使为限制电流所需的场效应晶体管42保持截止状态。和场效应晶体管42串连连接的二极管70阻止不需要的电流通过场效应晶体管42流入可充电电池60。只要控制和监视装置30、31检测到输入电压UE中的干扰(这可能是不希望的电压波动或一次电源装置230的完全故障)，场效应晶体管22便通过栅极连接G被截止，使得输入端90、91和输出端70、100以及101被解耦。此时，使用控制和监视装置30、31使场效应晶体管42导通，因而和输出端100、101相连的负载220现在通过可充电电池60由紧急电源供电。在紧急电源操作期间。控制和监视装置30、31监视通过场效应晶体管42的电流，以便在需要时限制所述电流。如已经说明的，场效应晶体管42的输出电流借助于控制和监视装置30、31通过栅极连接G脉宽调制输出电流来限制，即场效应晶体管42的导通和截止周期决定场效应晶体管42的输出电流。
如已经说明的，控制和监视装置通知转换继电器的激励电路120，从主电源操作转换到紧急电源操作，使得使用发光二极管200或210向用户显示各个状态。
在此时机应当指出，另外的继电器或者其它的继电器可以和控制和监视装置30、31相连。各个输出电路的相应的输出连接被设置在离开电源输出140的规定的距离，以便能够用简单的和故障保护的方式，使用可插入的跳线150并联连接继电器或继电器的输出电路。

Claims (17)

1.一种用于提供不间断功率的装置，所述装置具有：
用于连接到一次电源装置(230)的输入连接(90，91)，
用于连接备用电源(60)的连接(190，191)，
用于连接负载(220)的第一输出连接(100，101)，
用于在一次电源装置(230)故障的情况下解耦所述输入连接(90，91)和所述第一输出连接(100，101)的装置(20)，
第一可控开关装置(40)，用于在一次电源装置故障的情况下以受控方式使备用电源(60)和第一输出连接(100，101)相连，
被分配给第一可控开关装置(40)的控制装置(31)，
其特征在于，
第一可控开关装置(40)具有可被快速切换的功率晶体管(41，42)，
监视装置(30)，被提供用于监视流过可被快速切换的功率晶体管(41，42)的输出电流，以及
所述控制装置(31)被设计用于根据被监视的电流，脉宽调制快速功率晶体管(41，42)，以便限制可以由备用电源(60)提供的电流。
2.如权利要求1所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
所述备用电源(60)是可充电的。
3.如权利要求2所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
和快速功率晶体管(41，42)串联地提供用于阻断由一次电源装置(230)提供给备用电源(60)的电流的装置(70)。
4.如权利要求2或3所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
平滑电容器(80)，其被连接在第一输出连接(100，101)之间。
5.如权利要求2到4之一所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
可被控制装置(31)控制的充电装置(50)被连接在可充电的备用电源(60)和输入连接(90，91)之间。
6.如权利要求2到5之一所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
包括二极管(21)和第二可控开关装置(22)的并联电路形成解耦装置(20)，监视装置(30)被设计用于监视输入电压，以及如果被监视的输入电压用信号表示在一次电源装置(230)中发生故障，则控制装置(31)断开第二可控开关装置(22)。
7.如权利要求6所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
第二可控开关装置(22)是功率晶体管，特别是场效应晶体管。
8.如权利要求1到7之一所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
和第一输出连接(100，101)并联连接的限流电源输出(130)。
9.如权利要求8所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
至少一个第三可控开关装置(120)，用于连接和断开至少一个状态信令装置(200，210)，所述状态信令装置可被连接到被分配给第三可控开关装置(120)的各个第二输出连接(160，170)，被分配给第三可控开关装置(120)的第三输出连接(140)以离开限流电源输出(130)一个预定距离被设置。
10.如权利要求9所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
预先限定的接触桥(150)，用于短路限流电源输出(130)和第三输出连接(140)。
11.如权利要求9或10所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于第三可控开关装置(120)是继电器，特别是转换继电器。
12.一种用于提供不间断功率的装置，所述装置具有：
用于连接到一次电源装置(230)的输入连接(90，91)，
用于连接备用电源(60)的连接(190，191)，
用于连接负载(220)的输出连接(100，101)，
用于在一次电源装置(230)故障的情况下解耦所述输入连接(90，91)和所述输出连接(100，101)的装置(20)，
第一可控开关装置(40)，用于在一次电源装置(230)故障的情况下以受控方式使备用电源(60)和所述输出连接(100，101)相连，
被分配给第一开关装置(40)的控制装置(31)，
其特征在于，
包括二极管(21)和第二可控开关装置(22)的并联电路形成解耦装置(20)，监视装置(30)被提供用于监视输入电压，以及如果被监视的输入电压用信号表示在一次电源装置(230)中发生故障，则控制装置(31)断开第二可控开关装置(22)。
13.如权利要求12所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
第二可控开关装置(22)是功率晶体管，特别是场效应晶体管。
14.一种用于提供不间断功率的装置，所述装置具有：
用于连接到一次电源装置(230)的输入连接(90，91)，
用于连接备用电源(60)的连接(190，191)，
用于连接负载(220)的第一输出连接(100，101)，
用于在一次电源装置(230)故障的情况下解耦所述输入连接(90，91)和所述输出连接(100，101)的装置(20)，
第一可控开关装置(40)，用于在一次电源装置(230)故障的情况下以受控方式使备用电源(60)和所述输出连接(100，101)相连，
被分配给第一开关装置(40)的控制装置(31)，
其特征在于，
和第一输出连接(100，101)并联连接的限流电源输出(130)。
15.如权利要求14所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
至少一个第二可控开关装置(120)，用于连接和断开至少一个状态信令装置(200，210)，所述状态信令装置可被连接到被分配给第二开关装置(120，122)的各个第二输出连接(160，170)，被分配给第二开关装置(120，122)的至少一个第三输出连接(140)以离开限流电源输出(130)一个预定距离被设置。
16.如权利要求15所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于，
预先限定的接触桥(150)，用于短路限流电源输出(130)和所述至少一个第三输出连接(140)。
17.如权利要求15或16所述的用于提供不间断功率的装置，
其特征在于第二可控开关装置(120)是继电器，特别是转换继电器。
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