CN201742151U

CN201742151U - 双输入不间断电压变换装置

Info

Publication number: CN201742151U
Application number: CN2010202062141U
Authority: CN
Inventors: 冉茂鑫
Original assignee: JAGESON ELECTRONIC TECHNOLOGY (SHENZHEN) Co Ltd
Current assignee: JAGESON ELECTRONIC TECHNOLOGY (SHENZHEN) Co Ltd
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2020-05-27

Abstract

一种双输入不间断电压变换装置，包括第一转换回路、第二转换回路、储能单元、续流开关管及控制单元，控制单元用一个脉冲变压器将脉宽调制器输出的PWM信号转换成同相的第一、第二和第四PWM信号，分别驱动第一转换回路和第二转换回路同步工作，将高压直流和低压直流转换成同相的两路脉冲电压，通过一个交汇节点自适应地进行能量交互补充，经过后级的储能单元和续流回路为负载提供不间断的稳定电压。本装置转换效率高，可靠性高，自身能耗小。

Description

双输入不间断电压变换装置

技术领域

本实用新型涉及电压变换技术，特别是一种双输入不间断电压变换装置。

背景技术

节能是全世界产业最重要的政策。随着IT产业的发展，应用IT设备所消耗的能源占世界能源消耗的比例越来越高。其中为了确保信息设备(例如IDC、银行、保险、股市、无线电信的基站、直放站、EPON的各设备、安防设备、消防监视系统，等等)的可靠不间断的运行，大量的UPS被串接到敏感设备与供电网络之间。在从供电电网→UPS→敏感设备(负载)的串联系统中，为了保护敏感设备的1％的掉电可能性，UPS必须100％地进行两次主能量转换，

设：电网可靠性为L％，UPS可靠性为U％，系统的供电总可靠性为P％：

则 P％＝U％

本式说明，只有UPS正常，才能够保护系统供电安全。

因此：UPS的“功能利用率(Function Efficiency)”为F％：

F％＝(1-L％)-(1-U％)＝|L％-U％|

综合资源利用率(Total Resources Efficiency)公式

我们不难看到UPS的资源利用率是所有电力转换设备中最低的。

而且：

从AC经过UPS到设备的SMPS到该设备的最终负载，由于UPS的本身效率小于100％，以及其空载待机功耗，将会耗费5％或以上的能源。

由于传统UPS的供电保护模式具有与生俱来的上述弊端，因此，目前在电信行业、IDC机房等等地方，已经在采用240Vdc供电方案和48Vdc供电方案，以及某些AC/DC-DC/DC方案。但是所有这些方法，都是在敏感设备的前面串联一个能量转换单元，同样存在能量损耗和资源浪费的缺陷。

专利号为ZL021344558的中国发明专利公开了一种自耦互感式不间断开关电源，其核心技术是第二能源低压DC的引入，根据初次级的匝比关系，找出一个最佳切入点。但是，在高压工作期间，在低压DC回路存在1％～3％的能源损耗。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种更为简捷的双输入在线不间断开关式电压变换装置，以能够可靠地对敏感设备提供自我掉电保护，并在高压DC正常工作时，避免低压DC回路自身能源损耗。

为达上述目的，本实用新型采用对传统供电保护方式的逆向思考，从最接近需要保护的最终负载的地方来寻求最佳解决办法，采用更加接近终端的线路拓扑来解决断电保护。其具体技术方案如下：

一种双输入不间断电压变换装置，包括：

第一转换回路，含高压直流源、主功率变压器、连接在主功率变压器初级绕组的上开关管和下开关管、连接在主功率变压器次级绕组的整流管，整流管的输出端作为交汇点；

第二转换回路，由低压直流源、隔离二极管、低压开关管依次连接组成，输出接至所述交汇点；所述低压直流源的最小允许电压大于本装置的额定输出电压，最大电压小于高压DC为最小允许值时主功率变压器次级绕组的电压峰值；

由电感和电容构成的储能单元，连接在所述交汇点和负载端之间；

续流开关管，连接于所述交汇点与地之间；及

控制单元，用于输出同相的第一、第二和第四PWM信号驱动所述上开关管、下开关管和低压开关管同步工作，以及输出与第一PWM信号反相互补的第五PWM信号，驱动所述续流开关管工作。

整流管优选MOSFET，它可以在所述控制单元输出的第三PWM信号驱动下与所述上开关管和下开关管同步工作，也可以在所述主功率变压器的自举绕组驱动下与所述上开关管和下开关管同步工作。整流管还可以采用肖特基二极管等。

本实用新型用高压DC和低压DC变换成同相的两路脉冲电压，直接交汇后自适应地选择其中脉冲幅值较大的一路经过后级的储能单元和续流回路为负载供电，不需要精确设计主功率变压器的匝数比来确定低压DC的切入点，不需要对高压DC的状态进行检测即可达到高压DC和低压DC在线互补不间断供电的功能。

由于采用高压源和低压源并联后与后级储能单元连接，以互补方式不间断向后级后级储能单元供电，因此与传统的在敏感设备与供电网络之间串联UPS的方法相比，本双输入不间断电压变换装置能够更加可靠地对敏感设备提供掉电保护。

而且，在高压DC正常供电期间，第二转换回路中没有电流，低压直流源没有能源损耗，再加上进一步还采用了同步整流技术，能够有效节省能源，符合当今节能减排的大形势。

此外，本装置电路简捷，转换效率高，可靠性高，自身能耗小，可广泛应用于AC/DC或DC/DC供电状况下的各种对供电敏感的设备，例如通信设备、轨道交通监控系统、安防系统、IDC设备、太阳能和交流双输入LED照明、军用双能源系统等等。

附图说明

图1为实施例1的原理图；

图2为实施例2的原理图；

图3为实施例3的原理图；

图4为实施例4的原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型进一步说明。

实施例1：

参照图1，本双输入不间断电压变换装置包括：第一转换回路100，第二转换回路200，储能单元300，控制单元400。

第一转换回路100含高压直流源VH、主功率变压器T1、连接在主功率变压器T1初级绕组的上开关管Q1和下开关管Q2、连接在主功率变压器T1次级绕组的整流管Q3，整流管Q3的输出端作为交汇点J；

第二转换回路200由低压直流源VB、隔离二极管D7、低压开关管Q4依次连接组成，输出接至所述交汇点J；所述低压直流源VB的最小允许电压大于本装置的额定输出电压，最大电压小于高压DC为最小允许值时主功率变压器T1次级绕组的电压峰值；

储能单元300由电感Lo和电容Co构成，连接在所述交汇点J和负载端之间；

在所述交汇点J与地之间连接续流开关管Q5；

控制单元400包括中心控制单元、脉宽调制器和一个脉冲变压器Td，脉宽调制器集成在中心控制单元内，脉宽调制器的输出端接脉冲变压器Td的初级绕组，脉冲变压器Td的次级绕组aa’、bb’、cc’、dd’和e’e分别与上开关管Q1、下开关管Q2、整流管Q3、低压开关管Q4和续流开关管Q5连接。脉宽调制器输出的PWM信号通过脉冲变压器Td隔离并转换后，从次级绕组aa’、bb’、cc’和dd’分别输出同相的第一、第二、第三和第四PWM信号驱动上开关管Q1、下开关管Q2、整流管Q3、低压开关管Q4同步工作，从次级绕组e’e输出与第一PWM信号反相的第五PWM信号，驱动续流开关管Q5工作。脉宽调制器也可以采用独立于中心控制单元的独立器件。

第一转换回路100中的上开关管Q1、下开关管Q2和整流管Q3均采用MOSFET。续流开关管Q5和第二转换回路200中的低压开关管Q4也采用MOSFET。

主功率变压器T1的初级绕组的上端接上开关管Q1的源极，下端接下开关管Q2的漏极，上开关管Q1的漏极接高压直流源VH的正极，下开关管Q2的源极接高压直流源VH的负极，上开关管Q1的源极和漏极之间接第一电容C1，下开关管Q2的源极和漏极之间接第二电容C2。

本装置负载端Vo经过一个采样电阻Rs接到中心控制单元的采样输入端，中心控制单元通过分析、判断该电压采样信号，控制脉宽调制器输出的PWM信号的脉宽，保证本装置输出端Vo输出稳定的直流电压。中心控制单元还可用于接收：由输出分组监控保护功能单元接入的保护动作信号，远程监控信号，低压直流源VB的电压采样信号，高压直流源VH的电压采样信号，等等，并可用于控制本装置开机或者关机。中心控制单元可以在主功率变压器T1高压侧工作，也可以在低压侧工作。

上述双输入不间断电压变换装置的电压变换方法，包括以下步骤：

用一个脉冲变压器Td将脉宽调制器输出的PWM信号转换成同相的第一、第二、第三和第四PWM信号，分别驱动第一转换回路100中主功率变压器T1初级侧的上开关管Q1和下开关管Q2、次级侧的整流管Q3、以及第二转换回路200中的低压开关管Q4同步工作，从而将高压DC和低压DC转换成同相的两路脉冲电压，在所述整流管Q3的输出端(即所述交汇点J)交汇后自适应地选择其中脉冲幅值较大的一路向后级的储能单元300提供电流；

同时，脉冲变压器Td的次级绕组e’e输出与第一PWM信号反相的互补脉宽的第五PWM信号，驱动一个续流开关管Q5工作，在上开关管Q1、下开关管Q2和低压开关管Q4关断期间为所述储能单元300中电感Lo上的反向电动势提供续流通道；

中心控制单元采样负载端Vo的电压，分析判断后控制所述脉宽调制器输出的PWM信号的脉宽，进而控制上开关管Q1、下开关管Q2、整流管Q3和低压开关管Q4的导通时间，使负载端Vo输出的直流电压保持稳定。

在第二转换回路200向后级的储能单元300提供电能期间，第二转换回路200同时向所述整流管Q3提供能量，该能量依次通过主功率变压器T1反向耦合、二极管D1和D8整流后产生一个非调压的高频电压在高压总线的电容C5上形成直流高压，可以为高压工作的负载提供能量。

实施例2：

参照图2，实施例2双输入不间断电压变换装置与实施例1基本相同，其区别在于：实施例1中整流器Q3由脉冲变压器Td的次级绕组cc’驱动，与上开关管Q1、下开关管Q2和低压开关管Q4同步导通同步截止。

而在实施例2中，整流器Q3采用自举驱动方式，即：由所述主功率变压器T1的另一个次级绕组(即自举绕组)输出的脉冲电压驱动整流器Q3，与上开关管Q1、下开关管Q2和低压开关管Q4同步导通同步截止。应用中，需要将该自举绕组产生的脉冲电压幅度钳位于MOSFET门极规定的范围内。

实施例3：

参照图3，实施例3双输入不间断电压变换装置与实施例1基本相同，其区别在于：实施例1中整流器Q3采用MOSFET，且与上开关管Q1、下开关管Q2同步导通同步截止，即采用同步整流技术。而在实施例3中，整流器Q3采用一个肖特基二极管，使得实施例3双输入不间断电压变换装置线路更加简捷，成本更低。实施例3适合于在小功率，和无须逆变高压输出的应用。

实施例4：

参照图4，实施例4双输入不间断电压变换装置与实施例3基本相同，其区别在于：实施例3中，续流开关管Q5采用MOSFET，由脉冲变压器Td的次级绕组e’e驱动工作。而在实施例4中，续流开关管Q5采用肖特基二极管，以进一步简化线路，节省成本，提高可靠性。实施例4适合于在小功率的场合。

Claims

1.一种双输入不间断电压变换装置，其特征在于包括：

续流开关管，连接于所述交汇点与地之间；及

控制单元，用于输出同相的第一、第二、和第四PWM信号驱动所述上开关管、下开关管和低压开关管同步工作，以及输出与第一PWM信号反相的第五PWM信号，驱动所述续流开关管工作。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一转换回路中的整流管为MOSFET，该整流管在所述控制单元输出的第三PWM信号驱动下与所述上开关管和下开关管同步工作。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一转换回路中的整流管为MOSFET，该整流管在所述主功率变压器的自举绕组驱动下与所述上开关管和下开关管同步工作。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一转换回路中的整流管为肖特基二极管。

5.根据权利要求2-4任一项所述的装置，其特征在于：所述第一转换回路中，主功率变压器的初级绕组的上端接上开关管的源极，下端接下开关管的漏极，上开关管的漏极接高压直流源的正极，下开关管的源极接高压直流源的负极，上开关管的源极和漏极之间接第一电容，下开关管的源极和漏极之间接第二电容。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述控制单元包括中心控制单元、脉宽调制器和一个脉冲变压器，脉宽调制器输出的PWM信号通过脉冲变压器隔离并转换成所述第一、第二、第三、第四和第五PWM信号。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述续流开关管为肖特基二极管或MOSFET。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述续流开关管为肖特基二极管或MOSFET，第一转换回路中的整流管为另一个肖特基二极管。