CN2689566Y - 一种可共用电池的不间断电源 - Google Patents

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Abstract

本实用新型是关于一种不间断电源(UPS)，特别适用共用同一组电池供电的不间断电源。本实用新型由电池组、晶闸管、储能电感、功率开关管、整流二极管和直流电容所构成，其特征在于电池组的一端接到市电的N线，DC/DC升压电路和另一个DC/DC升降压电路分别向两个半桥式串联的直流电容充电。本实用新型与现有技术相比具有共电池工作的多台UPS时，前级DC/DC变换器之间没有环流，无须增加环流抑制措施而性能良好等优点。

Description

一种可共用电池的不间断电源
技术领域
本实用新型是关于一种不间断电源(UPS)，特别适用共用同一组电池供电的不间断电源。
背景技术
传统的在线式UPS，通常采用图1的电路结构。在市电正常时，连接电池的晶闸管SCR3关断。晶闸管SCR1，储能电感L1，功率开关管T1，整流二极管D1和直流电容C1构成了市电输入为正半周期时的有源功率因数校正(APFC)电路，在将交流市电转换成直流正电压的同时，使得市电输入电流满足功率因素和谐波的相关规定。而晶闸管SCR2，储能电感L2，功率开关管T2，整流二极管D2和直流电容C2构成了市电输入为负半周期时的有源功率因数校正(APFC)电路，将交流市电转换成直流负电压。直流电容C1，C2，功率开关管T3，T4，续流二极管D3，D4和滤波电感L3，滤波电容C3构成的低通滤波器共同组成后级DC/AC半桥式逆变器，将直流电容C1，C2的正负直流电压转换成负载所需的交流电压，给负载供电。在市电不正常而需要用电池供电时，晶闸管SCR1，SCR2关断，切断市电通路。晶闸管SCR3导通，UPS处于电池供电模式。此时，储能电感L1，L2，功率开关管T1，T2，整流二极管D1，D2和直流电容C1，C2构成了UPS的前级DC/DC功率变换器，将电池电压转换成正负极性的直流电压。该电压再经过后级的DC/AC半桥式逆变器转换为负载所需的交流电压。图1的两台UPS采用同一组电池供电，逆变输出并联接负载时，相应的结构如图2所示。其中，在电池的负极增加了串联的晶闸管SCR4和SCR8是为了在两台UPS工作在市电模式下时将市电和电池完全隔离。图中的两台UPS，UPS-1和UPS-2的输入可以接市电同相，也可接不同相。另外，UPS-1和UPS-2中既可以用各自独立的直流电容(如图2中UPS-1中的C1和C2，UPS-2中的C4和C5)，也可以共用一组直流电容(即将图2中的节点A与节点C连接，节点B与节点D连接)。图2的两台UPS当工作在电池供电模式下时，两台UPS的前级DC/DC功率变换器之间容易产生环流。图2中箭头所示为环流的一种途径，当UPS-1的功率开关管T1和UPS-2的功率开关管T6同时导通而功率开关管T2和T5关断时，电池电流从电池正极流过UPS-1的晶闸管SCR3，储能电感L1，功率开关管T1，再经两台UPS共用的N线(Neutral线)流入UPS-2，经功率开关管T6，储能电感L5，晶闸管SCR8，流回到电池负极。事实上，除了图2中箭头所指示的一种环流路径之外，还存在其它的环流路径，在此不一一列举。该环流的产生是由于两台UPS无法实现完全同步(功率开关管T1和T5，T2和T6分别同时导通关断)工作而通过两者共用的N线和电池产生了电流回路而造成的。这些环流的存在改变了电池模式下各台UPS前级DC/DC变换器的正常工作状态，降低了其工作性能。为此，在两台或多台UPS共用一组电池时，各台UPS中都必须增加环流控制措施，但如果控制不当，轻则使直流电容上电压不稳，影响后级DC/AC逆变器的输出；重则过大的环流会毁坏功率器件。
本实用新型的目的是为了克服图1传统的UPS在多台共用一组电池供电时，因前级DC/DC功率变换器间环流而造成的性能不稳，从而提出了一种不存在上述的环流现象，可以直接共用同一组电池供电的UPS。
发明内容
本实用新型的目的是通过如下技术方案来实现的：本实用新型由电池组、晶闸管、储能电感、功率开关管、整流二极管和直流电容所构成，其特征在于电池组的一端接到市电的N线，DC/DC升压电路和另一个DC/DC升降压电路分别向两个半桥式串联的直流电容充电。
本实用新型所述的电池组的负极通过节点n4接到N线，电池组的正极通过节点n3接到晶闸管SCR3的阳极和功率开关管T5的集电极。晶闸管SCR3的阴极则通过节点n2接到晶闸管SCR1的阴极和储能电感L1的左端；储能电感L1的右端通过节点n7与功率开关管T1的集电极和二极管D1的阳极连接。功率开关管T5的发射极则通过节点n6与储能电感L2的右端以及二极管D2和D6的阴极相连；储能电感L2的左端通过节点n5接到晶闸管SCR2的阳极和二极管D5的阳极；二极管D5的阴极接到N线，二极管D6的阳极通过节点n8与功率开关管T2的发射极连接。
二极管D5串联储能电感L4，储能电感L4的上端通过节点n9接到二极管D5的阳极，下端通过节点n5与晶闸管SCR2的阳极和储能电感L2的左端连接。
本实用新型还可以将电池组的正极与N线相连；电池组的负极经节点n3与晶闸管SCR3的阴极和功率开关管T5的发射极连接；晶闸管SCR3的阳极通过节点n5与晶闸管SCR2的阳极和储能电感L2的左端连接，功率开关管T5的集电极经节点n6连接到储能电感L1的右端，二极管D1的阳极，T1管的集电极。储能电感L2的右端经节点n8与T2的发射极和二极管D2的阴极连接；二极管D5的阳极接N线，阴极经节点n2接晶闸管SCR1的阴极和储能电感L1的左端；二极管D6的阴极接N线，阳极经节点n7接T1的发射级。
二极管D5阴极经节点n9与储能电感L4下端连接，储能电感L4的上端经节点n2与晶闸管SCR1的阴极和储能电感L1的左端连接。
本实用新型所述的电池组可连接多台UPS，多台UPS的市电输入可以用同一相或用不同相，各UPS的直流电容可以各自独立连接或互相并联使用。
本实用新型与现有技术相比具有共电池工作的多台UPS时，前级DC/DC变换器之间没有环流，无须增加环流抑制措施而性能良好等优点。
附图说明
图1是现有技术在线式UPS电路结构原理图。
图2是现有技术两台UPS采用同一组电池供电、逆变输出并联接负载时的电路原理图。
图3、图4、图5是本实用新型的电路原理图。
图6是本实用新型两台UPS共用一组电池的电路原理图。
图7是图3的改进电路图。
图8是本实用新型的另一实施方式电路原理图。
图9是图8的改进电路图。
具体实施例
下面结合附图说明对本实用新型作进一步详细的描述：本实用新型采用的技术方案是：将电池组的一端接到市电的N线，并通过增加器件构造出电池组对直流电容C1和C2分别供电的两个独立的前级DC/DC功率变换器。这样，在多台UPS共用电池工作时，因为电池组是与N线直接连接的，各台UPS的前级DC/DC功率变换器共用的实际上只有两根电池线，因此它们之间不会产生影响电路正常工作的环流了。如图3、图4、图5所示，电池组的负极通过节点n4接到N线。电池组的正极通过节点n3接到晶闸管SCR3的阳极和功率开关管T5的集电极。晶闸管SCR3的阴极则通过节点n2接到晶闸管SCR1的阴极和储能电感L1的左端。而功率开关管T5的发射极则通过节点n6与储能电感L2的右端以及二极管D2和D6的阴极相连。储能电感L2的左端通过节点n5接到晶闸管SCR2的阳极和二极管D5的阳极。二极管D5的阴极接到N线。二极管D6的阳极通过节点n8与功率开关管T2的发射极连接。图3的UPS电路中其他部分和器件的连接与图1的UPS是一样的。
图3的UPS电路在市电模式下工作原理与图1的UPS电路是一样的，仅有的不同是在功率开关管T2支路上增加串联了一个二极管D6与其一起工作。
图3的UPS电路在电池模式下工作时，晶闸管SCR3完全导通，功率开关管T1和T5则工作在高频PWM方式下，具体的工作原理如下：当功率开关管T1导通时，电池组通过晶闸管SCR3，储能电感L1，功率开关管T1给储能电感L1充电，充电电流回路如图4中实线所标；当功率开关管T1关断时，电池组和储能电感L1上的能量通过晶闸管SCR3，储能电感L1，二极管D1，直流电容C1的路径释放，从而给直流电容C1充电，电流回路如图4中虚线所标。这是一个典型的DC/DC升压电路(Boost电路)。当功率开关管T5导通时，电池组通过功率开关管T5，储能电感L2，二极管D5给储能电感L2充电，充电电路回路如图5中实线所标。当功率开关管T5关断时，储能电感L2通过二极管D5，直流电容C2，二极管D2续流，从而给直流电容C2充电，电流回路如图5中虚线所标。这是一个典型的DC/DC升降压电路(Buck-Boost电路)。当功率开关管T5导通时，节点n4和n6之间是负的电池电压，而由于功率开关管不能承受负的高压，因此在图3的UPS电路中增加了一个与功率开关管T2串联的二极管D6来抵抗此时出现的负高压，从而保护功率开关管不受损坏。
从上面的分析可以看出，在图3的UPS中，由于将电池组的负极与N线连接，构成的Boost电路和Buck-Boost电路都有各自独立的电流回路，因此将多台这样的UPS共用同一组电池时，前级DC/DC功率变换器之间不会有流经各UPS的不同器件的环流存在。如图6所示，两台这样的UPS共用一组电池时的结构图，对多台工作时原理也是一样的。图6中，UPS-1和UPS-2的市电输入可以用同一相，也可以用不同相。另外，UPS-1的直流电容C1，C2和UPS-2的直流电容C4，C5可以各自独立，也可以互相并联使用(即将节点n9与节点n19连接，节点n10与节点n20连接)。
为了减小图3的UPS电路在电池工作模式下Buck-Boost电路中储能电感L2上的纹波电流及相应的磁损，可以对其进行的修改如图7所示：增加一个与二极管D5相串联的储能电感L4，它的上端通过节点n9接到二极管D5的阳极，下端通过节点n5与晶闸管SCR2的阳极和储能电感L2的左端连接。这样，当UPS工作在电池模式下时，储能电感L2和储能电感L4串联工作，减小了它们的纹波电流和磁损。图7的UPS其他部分同图3一样。
对图3的UPS电路，换成将电池组的正极连接到N线上，可以得到与图3对称的另一个共电池UPS电路，如图8所示：将电池组的正极与N线相连；电池组的负极经节点n3与晶闸管SCR3的阴极和功率开关管T5的发射极连接；晶闸管SCR3的阳极通过节点n5与晶闸管SCR2的阳极和储能电感L2的左端连接；T5的集电极经节点n6连接到储能电感L1的右端，二极管D1的阳极，T1管的集电极；储能电感L2的右端经节点n8与T2的发射极和二极管D2的阴极连接；二极管D5的阳极接N线，阴极经节点n2接晶闸管SCR1的阴极和储能电感L1的左端；二极管D6的阴极接N线，阳极经节点n7接T1的发射级。图8的UPS其他部分同图3一样。
同样，为了减小图8的UPS电路在电池工作模式下储能电感L1上的纹波电流和磁损，可以增加一个储能电感L4与二极管D5串联，如图9所示：将储能电感L4下端经节点n9与二极管D5阴极连接，储能电感L4的上端经节点n2与晶闸管SCR1的阴极和储能电感L1的左端连接；电路中其他部分与图8一样。
采用本实用新型技术实现的共电池工作的多台UPS，前级DC/DC变换器之间没有环流，无须增加环流抑制措施而性能良好。

Claims (9)

1、一种可共用电池的不间断电源，由电池组、晶闸管、储能电感、功率开关管、整流二极管和直流电容所构成，其特征在于电池组的一端接到市电的N线，DC/DC升压电路和另一个DC/DC升降压电路分别向两个半桥式串联的直流电容充电。
2、根据权利要求1所述的一种可共用电池的不间断电源，其特征在于所述的电池组的负极通过节点n4接到N线，电池组的正极通过节点n3接到晶闸管SCR3的阳极和功率开关管T5的集电极。
3、根据权利要求2所述的一种可共用电池的不间断电源，其特征在于所述的晶闸管SCR3的阴极则通过节点n2接到晶闸管SCR1的阴极和储能电感L1的左端，储能电感L1的右端通过节点n7与功率开关管T1的集电极和二极管D1的阳极连接。
4、根据权利要求2所述的一种可共用电池的不间断电源，其特征在于所述的功率开关管T5的发射极则通过节点n6与储能电感L2的右端以及二极管D2和D6的阴极相连；储能电感L2的左端通过节点n5接到晶闸管SCR2的阳极和二极管D5的阳极；二极管D5的阴极接到N线，二极管D6的阳极通过节点n8与功率开关管T2的发射极连接。
5、根据权利要求4所述的一种可共用电池的不间断电源，其特征在于所述的二极管D5串联储能电感L4，储能电感L4的上端通过节点n9接到二极管D5的阳极，下端通过节点n5与晶闸管SCR2的阳极和储能电感L2的左端连接。
6、根据权利要求1所述的一种可共用电池的不间断电源，其特征在于所述的电池组的正极与N线相连；电池组的负极经节点n3与晶闸管SCR3的阴极和功率开关管T5的发射极连接；晶闸管SCR3的阳极通过节点n5与晶闸管SCR2的阳极和储能电感L2的左端连接，功率开关管T5的集电极经节点n6连接到储能电感L1的右端，二极管D1的阳极，T1管的集电极。
7、根据权利要求6所述的一种可共用电池的不间断电源，其特征在于所述的储能电感L2的右端经节点n8与T2的发射极和二极管D2的阴极连接；二极管D5的阳极接N线，阴极经节点n2接晶闸管SCR1的阴极和储能电感L1的左端；二极管D6的阴极接N线，阳极经节点n7接T1的发射级。
8、根据权利要求7所述的一种可共用电池的不间断电源，其特征在于所述的二极管D5阴极经节点n9与储能电感L4下端连接，储能电感L4的上端经节点n2与晶闸管SCR1的阴极和储能电感L1的左端连接。
9、根据权利要求1所述的一种可共用电池的不间断电源，其特征在于所述的电池组可连接多台UPS，多台UPS的市电输入可以用同一相或用不同相，各UPS的直流电容可以各自独立连接或互相并联使用。
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