CN205355946U - 一种不间断电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种不间断电源，包括AC/DC模块、DC/AC模块、充电模块、蓄电池、DC/DC模块、控制器及滤波模块；AC/DC模块输入接市电；AC/DC模块输出接DC/AC模块输入；DC/AC模块输入接DC/DC模块输出；DC/AC模块输出接滤波模块输入；滤波模块输出接负载；充电模块输入接市电；充电模块输出接蓄电池输入；蓄电池输出接DC/DC模块输入；控制器控制AC/DC模块、DC/AC模块、以及DC/DC模块主电路运行；DC/AC模块包括第一极性电容、第二极性电容、第三二极管、第四二极管、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管；本实用新型降低导通损耗，提高市电转换效率；采用三电平技术，降低了开关管的承受电压值；其控制的外围电路大大减少，降低成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及中小功率段的不间断电源，特别是一种高效率不间断电源。
背景技术
现有的中小功率段的UPS系统，如图1所示，主要包括有AC/DC模块，DC/AC模块，DC/DC升压模块，充电模块、蓄电池，以及滤波器。AC/DC模块一般采用有桥PFC电路，由于AC/DC模块采用整流桥式升压电路，而构成整流桥的整流二极管会引起相当大的导通损耗，导致功率变换效率低。有桥PFC电路的电路原理图参见图2。DC/AC模块，通常采用两电平逆变电路结构，这种电路在变换效率上也具有明显的缺点：开关管电压应力大，需要使用高耐压的功率器件；逆变电感量大；两电平之间变换，具有较大的电压变化率dV/dt，即冲击电流，冲击电流使电流电子器件瞬间承受很大的电流和功耗，逆变效率低，还可能损坏器件。两电平逆变电路结构的电路原理图参见图3。
传统上，对于AC/DC模块，DC/AC模块以及DC/DC升压模块的控制上，一般做法是分别采用独立专用控制电路，对各模块分别进行环路控制，实现不间断电源的功能。三个独立的控制电路，不仅增加了UPS系统的控制电路，增加成本和空间，而且影响系统的可靠性。
发明内容
为了克服以上的不足，本实用新型提出了一种全高效率的不间断电源（UPS）。采用改进AC/DC电路取代传统的有桥PFC电路，用三电平逆变电路取代两电平逆变电路，提高不间断电源的转换效率。在控制电路上，采用一个DSP控制电路对整个UPS系统进行控制，降低控制电路成本，提高系统的稳定性。
本实用新型采用以下技术方案实现:一种不间断电源，其特征在于：包括AC/DC模块、DC/AC模块、充电模块、蓄电池、DC/DC模块、控制器及滤波模块；所述AC/DC模块输入接市电；所述AC/DC模块输出接所述DC/AC模块输入；所述DC/AC模块输入接所述DC/DC模块输出；所述DC/AC模块输出接所述滤波模块输入；所述滤波模块输出接负载；所述充电模块输入接市电；所述充电模块输出接所述蓄电池输入；所述蓄电池输出接所述DC/DC模块输入；所述控制器控制AC/DC模块、DC/AC模块、以及DC/DC模块主电路运行；所述DC/AC模块包括第一极性电容、第二极性电容、第三二极管、第四二极管、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管；所述第三开关管第二端接所述第四开关管第一端；所述四开关管第二端接所述第五开关管第一端；所述第五开关管第二端接第六开关管第一端；所述第三开关管第一端接第一极性电容正极；第一极性电容负极接地；第一极性电容负极接第二极性电容正极；第二极性电容负极接所述第六开关管第二端；所述第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管第三端由所述控制器驱动；所述第三二极管阴极接所述第三开关管第二端；所述第三二极管阳极接地；所述第三二极管阳极接第四二极管阴极；第四二极管阳极接第五开关管第二端；所述第四开关管第二端接所述滤波模块；所述第三至第六开关管为IGBT或电力MOSFET；所述第三至第六开关管为IGBT时，第三至第六开关管第一端为集电极，第三至第六开关管第二端为发射极，第三至第六开关管第三端为栅极；第三至第六开关管为电力MOSFET时，第三至第六开关管第一端为漏极，第三至第六开关管第二端为源极；第三至第六开关管第三端为栅极。
在本实用新型一实施例中，所述AC/DC模块包括第一电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管；所述第一电感一端接市电火线；所述第一电感另一端分别接第一开关管第一端及第一二极管阳极；第一开关管第二端接第二开关管第二端；第二开关管第一端接市电零线；第一开关管第三端接第二开关管第三端并由所述控制器同一信号驱动；第一二极管阴极接所述第一极性电容正极；第二二极管阳极接所述第二极性电容负极；第二二极管阴极接第一二极管阳极；所述第一开关管、第二开关管为IGBT或电力MOSFET；所述第一开关管、第二开关管为IGBT时，所述第一开关管、第二开关管第一端为集电极，所述第一开关管、第二开关管第二端为发射极，所述第一开关管、第二开关管第三端为栅极；所述第一开关管、第二开关管为电力MOSFET时，所述第一开关管、第二开关管第一端为漏极，所述第一开关管、第二开关管第二端为源极；所述第一开关管、第二开关管第三端为栅极。
在本实用新型一实施例中，所述AC/DC模块包括第一电感、第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管；所述第一电感一端接市电火线；所述第一电感另一端分别接第一开关管第一端及第七开关管第一端；第一开关管第二端接第二开关管第一端；第二开关管第二端接市电零线；第一开关管第三端接第二开关管第三端并由所述控制器同一信号驱动；第七开关管第二端接所述第一极性电容正极第八开关管第一端接所述第二极性电容负极；第八开关管第二端接第七开关管第一端；第七开关管第三端和第八开关管第三端分别由所述控制器不同的信号驱动；所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管为IGBT或电力MOSFET；所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管为IGBT时，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第一端为集电极，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第二端为发射极，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第三端为栅极；所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管为电力MOSFET时，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第一端为漏极，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第二端为源极；所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第三端为栅极。
进一步的，所述滤波模块所述滤波模块包括第二电感及第三极性电容；所述第二电感一端接所述第四开关管的第二端；所述第二电感的另一端接第三极性电容的正极；所述第三极性电容的正极接所述负载的正极；所述第三极性电容的负极分别接接地及所述负载的负极。
较佳的，所述控制器为一DSP控制器。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
一、AC/DC整流模块，采用无桥PFC拓扑，将传统整流桥替换成低导通阻值的场效应管，降低导通损耗，提高市电转换效率；
二、DC/AC逆变模块，采用三电平技术，降低了开关管的承受电压值，可选用低耐压、低导通阻抗的功率器件，降低器件损耗，进一步提高电路变换效率。由于引入第三电平（零电平），减小了开关管的电压变化率dV/dt，减小了电磁污染，同时降低了滤波器的尺寸，降低UPS的体积；
三、采用一个DSP控制器对三个拓扑进行控制，其控制的外围电路大大减少，降低成本。整个UPS仅有一个控制器控制，其各个拓扑的逻辑配合度，控制执行速度，软件分析能力均有所优化，避免不同控制器之间出现冲突，可提高UPS系统的可靠性。
附图说明
图1为传统的UPS系统结构原理框图。
图2为有桥PFC电路的电路原理图。
图3为两电平逆变电路结构的电路原理图。
图4为本实用新型的原理框图。
图5为本实用新型一实施例的电路原理图。
图6为本实用新型一实施例的改进AC/DC电路原理图。
图7为本实用新型一实施例的三电平逆变电路原理图。
图8为本实用新型另一实施例的改进AC/DC电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本实用新型做进一步说明。
参见图4，本实用新型提供一种不间断电源。包括AC/DC模块、DC/AC模块、充电模块、蓄电池、DC/DC模块、控制器及滤波模块；所述AC/DC模块输入接市电；所述AC/DC模块输出接所述DC/AC模块输入；所述DC/AC模块输入接所述DC/DC模块输出；所述DC/AC模块输出接所述滤波模块输入；所述滤波模块输出接负载；所述充电模块的输入接市电；所述充电模块输出接所述蓄电池输入；所述蓄电池输出接所述DC/DC模块输入；所述控制器控制AC/DC模块、DC/AC模块、以及DC/DC模块主电路运行；
本实用新型一具体实施例的电路原理图参见图5。
其中，所述DC/AC模块包括第一极性电容C1、第二极性电容C2、第三二极管D3、第四二极管D4、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5及第六开关管Q6；所述第三开关管Q3第二端接所述第四开关管Q4第一端；所述四开关管第二端接所述第五开关管Q5第一端；所述第五开关管Q5第二端接第六开关管Q6第一端；所述第三开关管Q3第一端接第一极性电容C1正极；第一极性电容C1负极接地；第一极性电容C1负极接第二极性电容C2正极；第二极性电容C2负极接所述第六开关管Q6第二端；所述第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6第三端由所述控制器驱动；所述第三二极管D3阴极接所述第三开关管Q3第二端；所述第三二极管D2阳极接地；所述第三二极管D3阳极接第四二极管D4阴极；第四二极管D4阳极接第五开关管Q5第二端；所述第四开关管Q4第二端接所述滤波模块；所述第三至第六开关管Q6为IGBT或电力MOSFET；所述第三至第六开关管为IGBT时，第三至第六开关管第一端为集电极，第三至第六开关管第二端为发射极，第三至第六开关管第三端为栅极；第三至第六开关管为电力MOSFET时，第三至第六开关管第一端为漏极，第三至第六开关管第二端为源极；第三至第六开关管第三端为栅极。所述第三至第六开关管为IGBT或电力MOSFET；所述第三至第六开关管为IGBT时，第三至第六开关管第一端为集电极，第三至第六开关管第二端为发射极，第三至第六开关管第三端为栅极；第三至第六开关管为电力MOSFET时，第三至第六开关管第一端为漏极，第三至第六开关管第二端为源极；第三至第六开关管第三端为栅极。
进一步的，所述滤波模块所述滤波模块包括第二电感及第三极性电容C3；所述第二电感一端接所述第四开关管Q4的第二端；所述第二电感的另一端接第三极性电容C3的正极；所述第三极性电容C3的正极接所述负载的正极；所述第三极性电容C3的负极分别接接地及所述负载的负极。第二电感L2、第三极性电容C3作LC滤波模块使用，可以滤掉所述DC/AC模块输出的高频谐波。
其中，所述AC/DC模块包括第一电感、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管Q1、第二开关管Q2；所述第一电感一端接市电火线L；所述第一电感另一端分别接第一开关管Q1第一端及第一二极管D1阳极；第一开关管Q1第二端接第二开关管Q2第二端；第二开关管Q2第一端接市电零线N；第一开关管Q1第三端接第二开关管Q2第三端并由所述控制器同一信号驱动；第一二极管D1阴极接所述第一极性电容C1正极；第二二极管D2阳极接所述第二极性电容C2负极；第二二极管D2阴极接第一二极管D1阳极；所述第一开关管Q1、第二开关管Q2为IGBT或电力MOSFET；所述第一开关管Q1、第二开关管Q2为IGBT时，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2第一端为集电极，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2第二端为发射极，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2第三端为栅极；所述第一开关管Q1、第二开关管Q2为电力MOSFET时，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2第一端为漏极，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2第二端为源极；所述第一开关管Q1、第二开关管Q2第三端为栅极。
较佳的，所述控制器为一DSP控制器。
为便于本领域技术人员进一步理解，以图6、图7所示的AC/DC模块具体电路图及三电平逆变电路原理图为例，对本实用新型的工作原理进一步阐述。并结合图2、3的有桥PFC电路两电平逆变电路，分别分析有桥PFC电路和改进AC/DC电路的能量流向、两电平逆变电路和三电平逆变电路的能量流向，说明本实用新型的有益效果。
对于有桥PFC电路，当市电正半周输入、开关管Q11开通时，电感L11储能，电容C11放电，能量回路:L-L1-REC(1#)-Q1-REC(2#)-N；当市电正半周输入、开关管Q11关断时，电感L11续流，电容C11充电，能量回路：L-L11-D11-R11-接地。当市电负半周输入是同理。
对于图6中改进AC/DC电路，开关管Q31，Q32用同一个驱动信号驱动，同时开通或关闭。当市电正半周输入、开关管Q31，Q32开通时，电感L31储能，电容C31放电，能量回路：LIN-L31-Q31-Q32(D)-NIN；当市电正半周输入、开关管Q31，Q32关断时，电感L31续流，电容充电，能量回路：LIN-L31-D31-R31-N。当市电负半周输入是同理。
图2和图5对比可知，无桥PFC拓扑将整流桥的四个二极管和一个开关管，替换成Q31,Q32开关管，减少一个开关管的导通损耗，提高PFC的整流效率。
对于两电平逆变电路，当逆变正半周，开关管Q21开通时，电感L21储能，C21放电，能量回路：C21-Q21–L21-RL；当逆变正半周，开关管Q21关断时，电感L21续流，C22充电,能量回路C22-Q22(D)–L21-RL；当逆变负半周时，同理。
对于图6中的三电平逆变电路，当逆变正半周，开关管Q41，Q42开通时，电感L41储能，C41放电，能量回路：C41-Q41-Q42-L41-RL；当逆变正半周，开关管Q41开通、Q42关断时，电感L41续流，电容不充电也不放电,能量回路C41-D41-Q42-L41-RL；当逆变负半周时，同理。
三电平逆变电路与两电平逆变电路，虽然增加了2个开关管、2个二极管以及2个驱动信号，但是二极管D41,D42的引入，使得每个开关管承受的电压值相对于原来直流电压的一半，可选用低耐压的功率器件（600VD的IGBT）；开关管的电压变化率dV/dt比两电平电压减低一半，电流变化率di/dt也减小，减少了开关损耗，提升效率；在相同开关频率下，输出谐波将大幅降低。
在控制上，本提案采用一个DSP控制器对三个拓扑进行控制，其控制的外围电路大大减少，降低成本。整个UPS仅有一个控制器控制，其各个拓扑的逻辑配合度，控制执行速度，软件分析能力均有所优化，避免不同控制器之间出现冲突，可提高UPS系统的可靠性。
在本实用新型另一实施例中，所述AC/DC模块包括第一电感、第一开关管第、二开关管、第七开关管、第八开关管、第一极性电容、第二极性电容；所述第一电感一端接市电火线；所述第一电感另一端分别接第一开关管第一端及第七开关管第一端；第一开关管第二端接第二开关管第一端；第二开关管第二端接市电零线；第一开关管第三端及第二开关管第三端分别接控制器第一输出；第七开关管第二端接第一极性电容正极；第一极性电容负极接地；第一极性电容负极接第二极性电容正极；第二极性电容负极接第八开关管第一端；第八开关管第二端接第七开关管第一端；所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管为IGBT或电力MOSFET，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管为IGBT时，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第一端为集电极，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第二端为发射极，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第三端为栅极；所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管为电力MOSFET时，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第一端为漏极，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第二端为源极；所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第三端为栅极。具体电路原理图参见图8。与图6改进的AC/DC电路相比，将D31，D32用开关管Q33、Q34替代，工作原理与能量回路不变。
以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种不间断电源，其特征在于：包括AC/DC模块、DC/AC模块、充电模块、蓄电池、DC/DC模块、控制器及滤波模块；
所述AC/DC模块输入接市电；所述AC/DC模块输出接所述DC/AC模块输入；所述DC/AC模块输入接所述DC/DC模块输出；所述DC/AC模块输出接所述滤波模块输入；所述滤波模块输出接负载；所述充电模块输入接市电；所述充电模块输出接所述蓄电池输入；所述蓄电池输出接所述DC/DC模块输入；所述控制器控制AC/DC模块、DC/AC模块、以及DC/DC模块主电路运行；
所述DC/AC模块包括第一极性电容、第二极性电容、第三二极管、第四二极管、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管；
所述第三开关管第二端接所述第四开关管第一端；所述四开关管第二端接所述第五开关管第一端；所述第五开关管第二端接第六开关管第一端；所述第三开关管第一端接第一极性电容正极；第一极性电容负极接地；第一极性电容负极接第二极性电容正极；第二极性电容负极接所述第六开关管第二端；所述第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管第三端由所述控制器驱动；所述第三二极管阴极接所述第三开关管第二端；所述第三二极管阳极接地；所述第三二极管阳极接第四二极管阴极；第四二极管阳极接第五开关管第二端；所述第四开关管第二端接所述滤波模块输入；所述第三至第六开关管为IGBT或电力MOSFET；所述第三至第六开关管为IGBT时，第三至第六开关管第一端为集电极，第三至第六开关管第二端为发射极，第三至第六开关管第三端为栅极；第三至第六开关管为电力MOSFET时，第三至第六开关管第一端为漏极，第三至第六开关管第二端为源极；第三至第六开关管第三端为栅极。
2.根据权利要求1所述的不间断电源，其特征在于：所述AC/DC模块包括第一电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管；
所述第一电感一端接市电火线；所述第一电感另一端分别接第一开关管第一端及第一二极管阳极；第一开关管第二端接第二开关管第二端；第二开关管第一端接市电零线；第一开关管第三端接第二开关管第三端并由所述控制器同一信号驱动；第一二极管阴极接所述第一极性电容正极；第二二极管阳极接所述第二极性电容负极；第二二极管阴极接第一二极管阳极；所述第一开关管、第二开关管为IGBT或电力MOSFET；所述第一开关管、第二开关管为IGBT时，所述第一开关管、第二开关管第一端为集电极，所述第一开关管、第二开关管第二端为发射极，所述第一开关管、第二开关管第三端为栅极；所述第一开关管、第二开关管为电力MOSFET时，所述第一开关管、第二开关管第一端为漏极，所述第一开关管、第二开关管第二端为源极；所述第一开关管、第二开关管第三端为栅极。
3.根据权利要求1所述的不间断电源，其特征在于：所述AC/DC模块包括第一电感、第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管；
所述第一电感一端接市电火线；所述第一电感另一端分别接第一开关管第一端及第七开关管第一端；第一开关管第二端接第二开关管第一端；第二开关管第二端接市电零线；第一开关管第三端接第二开关管第三端并由所述控制器同一信号驱动；第七开关管第二端接所述第一极性电容正极，第八开关管第一端接所述第二极性电容负极；第八开关管第二端接第七开关管第一端；第七开关管第三端和第八开关管第三端分别由所述控制器不同的信号驱动；所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管为IGBT或电力MOSFET；所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管为IGBT时，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第一端为集电极，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第二端为发射极，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第三端为栅极；所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管为电力MOSFET时，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第一端为漏极，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第二端为源极；所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管第三端为栅极。
4.根据权利要求1所述的不间断电源，其特征在于：所述滤波模块包括第二电感及第三极性电容；所述第二电感一端接所述第四开关管的第二端；所述第二电感的另一端接第三极性电容的正极；所述第三极性电容的正极接所述负载的正极；所述第三极性电容的负极分别接地及所述负载的负极。
5.根据权利要求1所述的不间断电源，其特征在于：所述控制器为一DSP控制器。
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| CN201620126459.0U CN205355946U (zh) | 2016-02-18 | 2016-02-18 | 一种不间断电源 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN107425599A (zh) * | 2017-09-13 | 2017-12-01 | 重庆大及电子科技有限公司 | 用于电源补偿器的浪涌保护电路 |
| CN109470965A (zh) * | 2019-01-15 | 2019-03-15 | 浙江大邦科技有限公司 | 独立式反馈监测系统 |
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2016
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| CN107425599B (zh) * | 2017-09-13 | 2023-06-27 | 重庆大及电子科技有限公司 | 用于电源补偿器的浪涌保护电路 |
| CN109470965A (zh) * | 2019-01-15 | 2019-03-15 | 浙江大邦科技有限公司 | 独立式反馈监测系统 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |