CN201674266U - 谐振电源转换器及其应用的不断电系统 - Google Patents

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Abstract

一种谐振电源转换器及其应用的不断电系统，接收输入电源，并提供电力给负载使用，系统中包括电能储存单元、充电单元、谐振电源转换器以及供电切换单元。其中电能储存单元是用来储存电力，在输入电源发生异常时能够提供备用电力给负载使用。谐振电源转换器是用来在电能储存单元要提供电力时作变压，在二次侧线圈设有谐振电容，会让输出电流能够产生谐振的现象，以使一次侧开关单元运作于零电压与零电流切换的模式之下，进一步降低电磁干扰现象与不必要的功率耗损。

Description

谐振电源转换器及其应用的不断电系统
技术领域
本实用新型涉及一种不断电系统，尤其是指一种具有谐振软切换电源转换器的不断电系统。
背景技术
不断电系统(Uninterruptible Power Supply，UPS)是在原本的电源供应异常(如供电中断或是供电电力忽高忽低)时，能够提供后备的电力让电子装置能够照常运作的设备，一般来说常用于维持计算机主机(尤其是服务器)或交换机等关键设备或精密仪器，以防止数据遗失或仪器失去控制。
而如图1所示，为公知不断电系统中的电源转换器10的线路示意图，其中包含有变压器101、开关单元103和105、吸收回路107和109、输出电容Co以及输出电感Lo。该电源转换器10是当需要使用备用电力时，作备用电力的电压调整之用，其运作模式有三：
模式一是开关单元103导通而开关单元105截止，一次侧电流流经开关单元103，同时变压器101二次侧电流通过二极管D1与D4向负载RL供电。模式二是开关单元103截止而开关单元105导通，一次侧电流流经开关单元105，同时变压器101二次侧电流通过二极管D2与D3向负载RL供电。模式三为开关单元103和105皆截止，一次侧不向二次侧传递能量，而负载RL则由输出电容Co和输出电感Lo进行供电。
接着请参考图2A及图2B，为电源转换器10工作时开关单元103的运作波形，其中Vg1是开关单元103的闸极驱动电压，而Vds1则是开关单元103的工作电压。如图2A所示及图2B所示，因为电感的关系，开关单元103运作时，在截止(如图2A的时间点t1)或导通(如图2B的时间点t2)瞬间会有突波电压111a及111b产生，如此就会使开关损耗急遽上升。
而一般来说，要增加整体的效率，会采取以下的方式：第一种为增加吸收回路107和109中吸收电容的电容值，将施加在开关单元103和105上的突波电压111a及111b作缓冲，降低开关单元103及105上的电压冲击，以减少开关损耗。但透过吸收电容转移过来的能量必须由吸收回路107及109中的电阻在一个开关周期内消耗掉，故只是实现了功耗的转移，整体的效率并不会有显著提升。
第二种方式为在开关单元103及105分别并联一MOSFET，使得开关单元103及105的导通电阻减少，在电流不变的情况下，降低其导通损耗，但此种方式因为要添加MOSFET，就会导致体积及成本的上升。
第三种方式是增加输出电感Lo的电感值，如此一来对应到一次侧的电感也会随之增大，由Ldi/dt＝Vi的公式可知，电感增大会使流经开关单元103及105电流的变化率降低，电流峰值下降，如此开关单元103及105的导通损耗也会随之下降，但电感增大到某一定值后，由于电感自身损耗的增加大于导通损耗的减少，因此反而整体效率会下降，而要增加电感也会导致成本及体积的上升。
因此，公知不断电系统中的电源转换器仍有值得改善之处。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型所要解决的技术问题在于，在尽量不增加线路体积及成本的前提下，降低开关单元的电压应力，以提升不断电系统(Uninterruptible Power Supply，UPS)的电源转换器的效率。
为了达到上述目的，本实用新型提供一种不断电系统，接收一输入电源，并提供电力给一负载使用，该不断电系统包括一电能储存单元、一充电单元、一谐振电源转换器以及一供电切换单元。
其中电能储存单元是用来在输入电源正常供应时储存电力，并在输入电源供应异常时(如供电中断或忽高忽低)提供所储存的电力给负载使用；充电单元耦接于输入电源与电能储存单元之间，用来将输入电源作整流与变压，再传送至电能储存单元作电力的储存。
谐振电源转换器耦接于电能储存单元，用以作电能储存单元所储存的电力的变压，该谐振电源转换器中有一变压器、至少一开关单元及一谐振电容，其中开关单元耦接于变压器的一次侧线圈，而谐振电容则与变压器的二次侧线圈串联，使变压器的输出电流产生谐振；而供电切换单元耦接于输入电源、电能储存单元与负载之间，用以控制输入电源或电能储存单元供应电力给负载。
其中该充电单元包含一整流器及一充电变压器，整流器是用来将输入电源作整流，而充电变压器则耦接于整流器，将整流过后的输入电源作变压，并传送至电能储存单元作储存。
另外，该不断电系统更包括有一保护单元、一换流单元及一电源供应模块。保护单元可以包括有一电磁干扰滤波单元及至少一保险丝，耦接于输入电源，以降低输入电源对不断电系统所造成的电磁干扰。换流单元则是耦接于谐振电源转换器，用以将直流电转换成交流电以提供给负载使用；而电源供应模块耦接于充电单元以及谐振电源转换器，以提供充电单元及谐振电源转换器运作所需的电力。
根据本实用新型的另一方案，提供一种谐振电源转换器，包括有一变压器、至少一开关单元及一谐振电容，其中开关单元耦接于变压器的一次侧线圈，而谐振电容则与变压器的二次侧线圈串联，使变压器的输出电流产生谐振。
借助于在电源转换器的二次侧线圈串联谐振电容，使变压器输出电流产生谐振，进一步让一次侧的开关单元产生零电压切换及零电流切换的机制，以降低不必要的功率耗损，在尽量不增加线路体积及成本的前提下，改善不断电系统的整体效率。
以上的概述与接下来的实施例，皆是为了进一步说明本实用新型的技术手段与达到功效，然所叙述的实施例与附图仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。
附图说明
图1为公知不断电系统中的电源转换器的线路示意图；
图2A为公知电源转换器中开关单元的一种工作波形图；
图2B为公知电源转换器中开关单元的另一种工作波形图；
图3为本实用新型具谐振电源转换器的不断电系统的一种实施例的线路示意图；
图4为本实用新型谐振电源转换器的一种实施例的线路示意图；
图5A为本实用新型谐振电源转换器的一种实施例的工作波形图；
图5B为本实用新型谐振电源转换器的开关单元的闸极驱动电压与其开关跨压的对应波形示意图；以及
图5C为本实用新型的谐振电源转换器二次侧线圈的输出电流产生谐振的波形示意图。
【主要元件附图标记说明】
10电源转换器
101变压器
103、105开关单元
107、109吸收回路
111a、111b突波电压
20谐振电源转换器
201变压器
203、205开关单元
30保护单元
301电磁干扰滤波单元
303保险丝
40充电单元
401整流器
403充电变压器
50电能储存单元
60换流单元
70电源供应模块
80供电切换单元
Co输出电容
Cr谐振电容
Cs1、Cs2寄生电容
D1、D2、D3、D4二极管
Lo输出电感
Lr漏电感
RL负载
具体实施方式
请参照图3，为本实用新型不断电系统的一种实施例的线路示意图，接收一输入电源Vin并产生一输出电压Vout以供应给一负载(图未示)，包括有一谐振电源转换器20、一充电单元40、一电能储存单元50以及一换流单元60。其中，该不断电系统可以是在线式不断电系统或在线交错式不断电系统。
电能储存单元50可以是任意形式的电容或是充电电池，用来在输入电源Vin正常供应时储存电力，并在输入电源Vin异常(如供电中断或是不稳定)时，能够有备用的电力供应给负载作使用。充电单元40耦接在输入电源Vin及电能储存单元50之间，其中有整流器401及充电变压器403，分别用来将输入电源Vin作整流及变压的动作，并提供给电能储存单元50作电力储存。
换流单元60耦接于电能储存单元50，是当输入电源Vin异常时，将电能储存单元50中所储存的电力转换成交流电以供应给负载。而谐振电源转换器20则是耦接于电能储存单元50与换流单元60之间，用来作变压的动作，包含有一变压器201、至少一开关单元203和205以及一谐振电容Cr，其中谐振电容Cr是耦接于变压器201的二次侧线圈，使变压器201的输出电流能产生谐振的现象，并使一次侧开关单元203和205能够运作在零电流及零电压切换的模式，以减少不必要的功率耗损。
另外，不断电系统中更可包含有一保护单元30、一电源供应模块70以及一供电切换单元80。保护单元30耦接于输入电源Vin，可以包括有一电磁干扰滤波单元301与至少一保险丝303，用来避免过高的温度或是电磁干扰的现象影响甚至损坏不断电系统中的电路元件。电源供应模块70是用来供应不断电系统中各个模块运作所需的电力，如充电模块40、谐振电源转换器20和换流单元60等等。
而供电切换单元80则是耦接于换流单元60、输入电源Vin以及负载三者之间，用来控制该电能储存单元50或该输入电源Vin供电给负载。当输入电源Vin供电正常时，供电切换单元80是让输入电源Vin直接供应给负载，并截止电能储存单元50与负载的线路；而当输入电源Vin供电异常时，则让电能储存单元50供电给负载，并截止输入电源Vin与负载的线路，让负载能够获得正常稳定的电力。
接着请参照图4，为本实用新型谐振电源转换器20的一种实施例的线路示意图，在本实施例中为推挽式电源转换器，包含有一变压器201、至少一开关单元203和205、谐振电容Cr、二极管D1、D2、D3和D4以及输出电容Co，其中谐振电容Cr耦接于变压器201的二次侧线圈，而谐振电容Cr与变压器201的漏电感Lr会产生谐振，使变压器201的输出电流产生谐振，并使一次侧的开关单元203和205能够运作在零电流及零电压切换的模式之下。
当上述的输入电源Vin供应异常时，就需要谐振电源转换器20将电能储存单元50中所储存的电力进行变压，来供应给负载RL，请配合参照图5A进行说明，其运作模式如下：
模式一是时间点0～t3，在时间点0时，开关单元203在其开关跨压Vds1(也就是寄生电容Cs1的跨压)零电压时导通，透过二次侧的谐振电容Cr与漏电感Lr进行电流的谐振，而当流经开关单元203的电流i1谐振到零时，开关单元203即被截止，实现零电流截止。
模式二是时间点t3～t4，开关单元203截止且开关单元205还未导通，此时变压器201一次侧有激磁电流，会使开关单元203的寄生电容Cs1充电至2Vi(也就是开关跨压Vds1会升高到2Vi)，同时开关单元205的寄生电容Cs2则放电到零(也就是开关跨压Vds2会降低到零)。
模式三是时间点t4～t5，开关单元205在零电压时导通，同样透过二次侧的谐振电容Cr与漏电感Lr进行电流谐振，当流经开关单元205的电流i2谐振到零时，开关单元205即被截止，实现零电流截止。
模式四则是时间点t5～t6，开关单元205截止且开关单元203还未导通，此时变压器201的激磁电流会将开关单元205的寄生电容Cs2充电至2Vi，同时开关单元203的寄生电容Cs1则放电到零。
接着请参照图5B，为谐振电源转换器20的开关单元203的闸极驱动电压Vg1与其开关跨压Vds1的对应波形，由图5B中可知，透过谐振电容Cr与零电压及零电流的切换方式，开关单元203在截止时间点t7及导通时间点t8的开关跨压Vds1就不会如公知有突波电压产生。
图5C即是由谐振电容Cr及变压器201漏电感Lr交互作用所产生的二次侧线圈谐振电流ir的波形示意图，其中二次侧线圈输出电流的谐振，会在一次侧线圈产生激磁电流，让开关单元203运作于零电压及零电流的模式之下，如此不但可以延长开关单元203的使用寿命，也能省去公知的吸收回路和公知在二次侧所添加的输出电感，实现线路的简化。
综上所述，透过谐振电容与变压器的漏电感的交互作用，会使电流产生谐振的现象，如此便可使谐振电流转换器的驱动单元在零电压时导通开关单元，并在零电流时截止开关单元，实现零电压及零电流的运作模式，降低不必要的功率耗损以及电磁干扰现象，并节省原本需要添加在开关单元的吸收回路与二次侧输出电感，使电路架构简化降低成本，进一步提升不断电系统中电源转换器的效率。
以上所述为本实用新型的具体实施例的说明与附图，而本实用新型的所有保护范围应以权利要求保护范围为准，任何在本实用新型的本领域的普通技术人员，可轻易思及的变化或修改皆可涵盖在本实用新型权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不断电系统，其特征在于，接收一输入电源，并输出电力给一负载使用，包括：
一电能储存单元，在该输入电源正常供应时储存电力，并在该输入电源供应异常时提供所储存的电力给该负载使用；
一充电单元，耦接于该输入电源与该电能储存单元之间，将该输入电源作整流与变压，再传送至该电能储存单元作电力的储存；
一谐振电源转换器，耦接于该电能储存单元，以作该电能储存单元所储存的电力的变压，该谐振电源转换器有一变压器、至少一开关单元及一谐振电容，其中该些开关单元耦接于该变压器的一次侧线圈，而该谐振电容则与该变压器的二次侧线圈串联，使该变压器的输出电流产生谐振；以及
一供电切换单元，耦接于该输入电源、该电能储存单元及该负载之间，以控制该输入电源或该电能储存单元供应电力给该负载。
2.如权利要求1所述的不断电系统，其特征在于，该充电单元包括：
一整流器，将该输入电源作整流；以及
一充电变压器，耦接于该整流器，将整流过后的该输入电源作变压，并传送至该电能储存单元作储存。
3.如权利要求1所述的不断电系统，其特征在于，该电能储存单元为至少一电容或一充电电池。
4.如权利要求1所述的不断电系统，其特征在于，该谐振电源转换器为一推挽式电源转换器。
5.如权利要求1所述的不断电系统，其特征在于，更包括：
一保护单元，耦接于该输入电源，以保护该不断电系统中的线路。
6.如权利要求5所述的不断电系统，其特征在于，该保护单元包括：
一电磁干扰滤波单元，耦接于该输入电源，以降低该输入电源对该不断电系统所造成的电磁干扰；以及
至少一保险丝，耦接于该输入电源。
7.如权利要求1所述的不断电系统，其特征在于，更包括：
一换流单元，耦接于该谐振电源转换器，以将直流电转换成交流电以提供给该负载使用。
8.如权利要求1所述的不断电系统，其特征在于，该不断电系统为一在线式不断电系统或一在线交错式不断电系统。
9.如权利要求1所述的不断电系统，其特征在于，更包括：
一电源供应模块，耦接于该充电单元以及该谐振电源转换器，以提供该充电单元及该谐振电源转换器运作所需的电力。
10.一种谐振电源转换器，其特征在于，应用于一不断电系统，该不断电系统有一电能储存单元，而该谐振电源转换器耦接于该电能储存单元，包括：
一变压器，以作该电能储存单元所储存的电力的变压；
至少一开关单元，耦接于该变压器的一次侧线圈；以及
一谐振电容，串联于该变压器的二次侧线圈，使该变压器的输出电流产生谐振。
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