CN204441999U - 一种双输入不间断开关电源 - Google Patents

Abstract

一种双输入不间断开关电源，包括：具有初级线圈和次级线圈的主变压器、主回路、同步整流输出回路、低压直流变换回路及数字控制单元；主回路包括高压开关网络、谐振电感、所述初级线圈和谐振电容；同步整流输出回路包括由两个同步整流管和所述次级线圈构成的全波整流电路和滤波电路；低压直流变换器由低压开关管、隔离二极管和低压直流源构成；数字控制单元根据高压直流总线的电压的变化自动选择主回路或低压直流变换电路工作。该电源能够在主回路发生不稳定或中断时，有效保证输出稳定。

Description

一种双输入不间断开关电源

技术领域

本实用新型涉及电压转换装置，具体涉及一种双输入不间断开关电源(Uninterruptible Switching Power Supply，缩写USPS)。

背景技术

在节能减排的大潮流下，电压转换装置的效率也在不断提升。出现很多线路拓扑。而以IT行业为代表的应用领域，存在相当庞大的断电保护的市场需求。而这些需求，目前仍由传统的“非典型串联”的断电保护装置（如AC UPS和充电器即HVDC UPS）所占据。用户和市场对于“非典型串联”的UPS的功能利用率比AC断电的几率还低的现实视而不见，实际上造成极大地浪费而不自知。其典型的应用形态是IDC机房，动辄以数百KVA的UPS冗余的集中式供电保护系统，由于这种集中式UPS事故导致整个网络中断，造成巨大损失的案例比比皆是。而且建造成本少则数百万多则数千万，而每年还要浪费电能数千万度，等效CO2排放数以万吨计。

数字设备如电脑、安防监控系统等，往往也需要选择一种双输入不间断开关电源（USPS），以维持设备不间断运行，避免停电导致的数据丢失损失。要在一个电源内实行两路能源输入，有各种可能，如一个小型化的充电器加电池再经过DC/DC变换；或者用一个AC/DC与一个DC/DC并联，这些常规方法，在效率、体积、成本方面都不尽人意。

发明内容

为避免现有技术存在的上述不足，本实用新型提供一种双输入不间断开关电源（USPS），其采用主能源回路和第二能源回路主从冗余交叠转换的工作方式，能为负载提供持续不断的稳定电压，实现自我在线不间断功能。

本实用新型提供的一种双输入不间断开关电源，包括：

主变压器，含有初级线圈和带中间抽头的次级线圈；

主回路，包含连接在高压直流总线和高压地之间的高压开关网络，以及从该高压开关网络的第一端到第二端依次连接的谐振电感、所述的初级线圈和谐振电容；

同步整流滤波回路，包含全波整流电路、连接于全波整流电路输出端（E）的滤波电感和滤波电容，该全波整流电路由两个同步整流管和所述次级线圈构成；

低压直流变换电路，含有低压开关管、隔离二极管及低压直流源，三者依次串联在所述全波整流电路的输出端(E)与低压地之间；以及

数字控制单元，其提供两组同步的驱动脉冲，一组驱动脉冲DrH’、DrL’控制所述高压开关网络，另一组驱动脉冲DrH、DrL控制所述的两个同步整流管以及所述低压开关管；其第一采样输入端连接所述同步整流滤波回路输出端，第二采样输入端连接一个隔离采样单元，用于采样所述高压直流总线的电压，根据该电压的变化自动选择主回路或直流变换电路工作。

其中，所述驱动脉冲DrH’、DrL’是所述另一组驱动脉冲中的驱动脉冲DrH、DrL分别经过一隔离电路形成的脉冲信号；所述驱动脉冲DrH和驱动脉冲DrL的反相信号相与形成的组合信号控制所述的低压开关管。

所述高压直流总线上的直流电由AC整流滤波获得，当高压直流总线和高压地之间的电压为额定电压时，所述主回路通过同步整流输出回路向负载提供电能；当高压直流总线和高压地之间的电压为95%-85%额定电压时，所述主回路和低压直流变换电路交替向负载提供电能；当高压直流总线和高压地之间的电压低于85%额定电压时，全部从直流变换电路向负载提供电能。

在上述双输入不间断开关电源中，还包括一个电容器，跨接在所述的高压直流总线和高压地之间，用于在所述主回路和同步直流变换电路转换时防止瞬态突变。

在一种方案中，所述的高压开关网络采用由四个高压开关管两两串联后再并联构成的全桥开关网络，所述的高压开关网络的第一端和第二端分别为全桥的两个中点。

在另一种方案中，所述的高压开关网络采用由两个高压开关管串联构成的半桥开关网络，所述的高压开关网络的第一端为半桥的中点，所述的高压开关网络的第二端为半桥开关网络与高压地的连接端。

在第三种方案中，所述高压开关网络采用由两个高压开关管组成的推挽开关网络。 

 本实用新型优点如下：本实用新型双输入不间断开关电源采用主能源回路和第二能源回路主从冗余交叠转换的工作方式，在不影响AC-DC电源的工作效率的前提下，实现了第二能源（低压直流源）热备份，能为负载提供持续不断的稳定电压，实现了自我在线不间断功能。提高了可靠性和效率。

本实用新型电源适用于电脑、安防监控系统等数字设备使用，不用传统的UPS，也不用串联一级充电器，最大限度地降低“单点故障率”，提高了可靠性，节省UPS的设备投资和运行能耗，节省了UPS的资源浪费。

附图说明

图1为实用新型双输入不间断开关电源一实施例的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

参照图1，实施例双输入不间断开关电源包括主变压器、主回路、低压直流变换电路、同步整流滤波回路、数字控制单元和隔离采样单元等。

主变压器T含有初级线圈N1和带中间抽头的次级线圈N21、N22。

主回路包括连接在高压直流总线和高压地之间的高压开关网络，高压开关网络包括四个高压开关管Q1、Q2、Q3、Q4，Q1和Q2、Q3和Q4分别串联后再并联构成的全桥开关网络。A点所在线表示接高压直流总线，B点接高压地，C点（Q1和Q2的公共点）、D点（Q3和Q4的公共点）表示全桥的两个中点。该主回路还包括C点和D点之间串接的谐振电感Lr、主变压器T的初级线圈N1和谐振电容Cr。

同步整流滤波回路包括由两个同步整流管Q5、Q6和所述次级线圈N21、N22构成的全波整流电路，滤波电感L以及连接滤波电感L的滤波电容C。Q5、Q6一端分别接次级线圈N21的同名端和N22的非同名端， Q5、Q6另一端接滤波电感L，次级线圈N21、N22的中间抽头接低压地，Q5、Q6分别并接一整流二极管，滤波电感L和Q5、Q6的连接点E为全波整流电路的输出端，该输出端（E点）与次级线圈的中间抽头之间接一个续流二极管D1。

低压直流变换电路含有低压开关管Q7、隔离二极管D2及低压直流源LVDC，三者依次串联在所述全波整流电路的输出端(E点)与低压地之间。

数字控制单元包括可程序化的驱动调制信号发生器、时钟发生器及其内部时序控制等等电路。该控制单元的第一采样输入端连接所述同步整流滤波回路的输出端，数字控制单元根据对输出电压U₀的采样信号，经过内部计算和时序处理，提供两组同步的驱动脉冲，一组驱动脉冲DrH’、DrL’去驱动所述的主回路的上臂高压开关管Q1、Q4和下臂高压开关管Q2、Q3；另一组驱动脉冲DrH和DrL直接控制所述的两个同步整流管Q5、Q6，驱动脉冲DrH和DrL反相的信号通过一与门形成组合信号来控制所述的低压开关管Q7。该控制单元由供电电压Vcc提供工作能量。所述驱动脉冲DrH’、DrL’是所述另一组中的驱动脉冲DrH、DrL分别经过一隔离变压器（隔离单元）形成的脉冲信号。

数字控制单元的第二采样输入端与高压直流总线（A点）之间连接一个隔离采样单元，用于采样所述高压直流总线的电压，根据该电压的变化自动选择主回路或低压直流变换电路工作。

四个高压开关管Q1、Q2、Q3、Q4，可以是MOS开关管，也可选用IGBT开关管。低压开关管Q7，以及两个同步整流管Q5、Q6均采用MOS开关管。

图1中HVDC表示由AC电压经传统整流、滤波等处理后得到的高压直流源。

无论是主回路向负载提供电能，还是由低压直流变换电路向负载提供电能，或者二者交替向负载提供电能，上述驱动脉冲DrH’作用于全桥开关网络中的一组高压开关管Q1、Q4时，低压开关管Q7、同步整流管Q5也在驱动脉冲DrH的控制下与Q1、Q4均同步导通；上述驱动脉冲DrL’作用于全桥开关网络中的另一组高压开关管Q2、Q3时，低压开关管Q7、同步整流管Q6也在驱动脉冲DrL的控制下与Q2、Q3均同步导通；而且一组高压开关管Q1、Q4导通时，另一组高压开关管Q2、Q3截止，反之亦然。

当高压直流总线（A点）和高压地（B点）之间的电压为额定电压时，一组高压开关管Q1、Q4导通，电压经主变压器T的初级线圈N1耦合到次级线圈，经过同步整流管Q5整流，再经滤波电感L、滤波电容C输出给负载；在该过程中，由于数字控制单元对高压直流电压HVDC的监视，令低压直流变换电路的低压开关管Q7不导通，避免该回路的空转的损耗，低压直流源LVDC不会向负载提供电能；同理，当另一组高压开关管Q2、Q3导通时，电压经主变压器T的初级线圈N1耦合到次级线圈，经过同步整流管Q6整流，再经滤波电感L、滤波电容C输出给负载；在该过程中，由于数字控制单元对高压直流电压HVDC的监视，令低压直流变换电路的低压开关管Q7关闭，避免该回路的空转的损耗，低压直流源LVDC不会向负载提供电能。因此，当高压直流总线和高压地之间的电压正常时，由主回路通过同步整流输出回路向负载提供电能。

当高压直流总线（A点）和高压地（B点）之间的电压为95%-85%额定电压时，全波整流电路的输出电压 (E点)与低压直流源LVDC的电压自动维持动态平衡，如果全波整流电路的输出电压小于低压直流源LVDC电压，低压直流变换电路的低压开关管Q7导通，低压直流变换电路向负载提供电能。如果全波整流电路的输出电压不小于低压直流源LVDC电压，电压经初级线圈N1耦合到次级线圈经过同步整流管Q5或Q6整流，仍由主回路向负载提供电能。

当高压直流总线（A点）和高压地（B点）的低于85%额定电压时（包括断电），由于全波整流电路的输出电压(E点)小于低压直流源LVDC电压，低压直流变换电路的低压开关管Q7导通，由低压直流变换回路通过输出滤波网络向负载提供全部电能。

在断电状态中，尽管高压开关网络没有能量输入，依然同步工作，以备一旦高压恢复，高压开关网络立刻与低压直流源(LVDC)同时并行能向负载提供电能，之后维持高压开关Q1－Q4持续工作，数字控制单元关闭低压直流变换回路的开关Q7。

上述电源还包括用于在主从能源转换时防止瞬态突变的功能电路，该功能电路为一个电容器C1，该电容器跨接于高压直流总线和高压地之间，由于电容器的储能作用，使两路能源的转换之间没有瞬态突变，不会造成过冲和干扰。该功能电路还可以由复数个电容器串、并联构成。

根据功率的大小，上述低压开关管Q7可以用两只并联的开关管替代, 该两个开关管分别由Dr3和Dr4的反相信号同步控制。.

所述的隔离采样单元，也可从AC交流输入端采样AC的电压降，作为控制中心的时序控制条件，达到与HVDC采样相同的结果

以上通过具体实施例对本实用新型做了详细的说明，这些具体的描述不能认为本实用新型仅仅限于这些实施例的内容。本领域技术人员根据本实用新型构思、这些描述并结合本领域公知常识做出的任何改进、等同替代方案，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种双输入不间断开关电源，其特征在于包括：

主变压器，含有初级线圈和带中间抽头的次级线圈；

主回路，包含连接在高压直流总线和高压地之间的高压开关网络，以及从该高压开关网络的第一端C到第二端D依次连接的谐振电感、所述的初级线圈和谐振电容；

同步整流滤波回路，包含全波整流电路、连接于全波整流电路输出端（E）的滤波电感和滤波电容，该全波整流电路由两个同步整流管和所述次级线圈构成；

低压直流变换电路，含有低压开关管、隔离二极管及低压直流源，三者依次串联在所述全波整流电路的输出端(E)与低压地之间；及

数字控制单元，其提供两组同步的驱动脉冲，一组驱动脉冲DrH’、DrL’控制所述高压开关网络，另一组驱动脉冲DrH、DrL控制所述的两个同步整流管以及所述低压开关管；其第一采样输入端连接所述同步整流滤波回路输出端，第二采样输入端连接一个隔离采样单元，用于采样所述高压直流总线的电压，根据该电压的变化自动选择主回路或低压直流变换电路工作。

2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，

当高压直流总线和高压地之间的电压为额定电压时，所述主回路通过同步整流输出回路向负载提供电能；

当高压直流总线和高压地之间的电压为95%-85%额定电压时，所述主回路和低压直流变换电路交替向负载提供电能；

当高压直流总线和高压地之间的电压低于85%额定电压时，所述低压直流变换电路向负载提供全部电能。

3.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述驱动脉冲DrH’、DrL’是所述另一组驱动脉冲中的驱动脉冲DrH、DrL分别经过一隔离电路形成的脉冲信号；所述驱动脉冲DrH和所述驱动脉冲DrL的反相信号相与形成的组合信号用于控制所述的低压开关管。

4.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，在所述高压直流总线和高压地之间跨接一个电容器，用于在所述主回路和同步直流变换电路转换时防止瞬态突变。

5.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述的高压开关网络是由四个高压开关管两两串联后再并联构成的全桥开关网络，所述的高压开关网络的第一端C到第二端D分别为全桥的两个中点。

6.如权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述四个高压开关管、低压开关管以及两个同步整流管均采用MOSFET开关或IGBT开关。

7.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述的高压开关网络是半桥开关网络或推挽开关网络。

8.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述全波整流电路的输出端（E）与所述次级线圈的中间抽头之间连接续流二极管。

9.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述低压开关管用两只并联的开关管替代, 该两个开关管的同步控制信号分别是所述驱动脉冲DrH和所述驱动脉冲DrL的反相信号。