TWI482394B - 控制將遞送至負載的輸出訊號之方法、裝置、系統 - Google Patents

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Description

控制將遞送至負載的輸出訊號之方法、裝置、系統
本發明係關於經由電力系統之能量傳輸。特別而言，本發明係關於用於非正弦(nonsinusoidal)不中斷電力供應(UPS,uninterruptible power supply)的功率因數修正。
對於現代文明而言，經由電力系統之能量傳輸係不可或缺。由於眾多的電氣裝置係抽取自公用源之交流(AC,alternating current)電力(即：自電力柵(grid)之線路電力)，電力失效(即：停電或中斷)係將為嚴重關注的事。具有電池備用系統以提供針對於靈敏及/或關鍵負載(諸如：電腦系統)的調節、不中斷電力之不中斷電力供應(UPS)的運用係眾所週知。
不中斷電力供應(UPS)系統係常用為關聯於種種電氣裝置以防護為不受到電力失效。UPS系統係可利用於種種組態以提供變化的功能性，但其均典型為於如果電力中斷而提供電力。
一種UPS系統係可連接至線路電力，使得其連接至UPS系統之一裝置(稱為負載)係可於正常狀態期間而運用線路電力。UPS系統係典型包括：一電池，儲存能量；一整流器(rectifier)，轉換AC至直流(DC,direct current)以供通過該電池：及，一變流器(inverter)，當備用電力為產生時而轉換DC電池電力回到AC。
理想而言，對應於UPS輸出電壓(即：代表其遞送至負載的電壓之電氣訊號)的電壓波形係正弦，由於電氣裝置係抽取其為正弦之AC電力。非正弦波形(例如：方波形)係歸因於急劇的電壓變化而典型為具有較大的瞬間振盪出現。然而，某些非正弦波形(諸如：方波)係相較於正弦波形而較容易產生且因此為常用於UPS系統。
本發明之一個實施例係一種控制將遞送至負載的輸出訊號之方法、或對應裝置。將遞送至負載的一非正弦訊號波形係產生為具有一脈衝寬度調變(PWM,pulse width modulation)工作寬度。非正弦訊號波形係取樣以收集輸出訊號取樣。關於該負載是否為隨著時間經過而需求較多或較少的電力之一確定係基於該等輸出訊號取樣而作成。該工作寬度係調整以控制該非正弦訊號波形為輸出訊號取樣之一函數。以此方式，一期望訊號特徵係遞送至負載。
於一個實施例，輸出訊號、非正弦訊號波形、與輸出訊號取樣係對應於電壓。
期望訊號特徵係可為一期望的均方根(RMS,root mean square)訊號位準。
於降低輸出訊號取樣之情形，調整該工作寬度係可包括：增大工作寬度。於升高輸出電壓取樣之情形，調整該工作寬度係可包括：減小工作寬度，舉例而言，匹配輸出電壓取樣之RMS訊號位準至一期望RMS訊號位準。
於一個實施例，非正弦訊號波形係一方形訊號波形。非正弦訊號波形係可具有針對於非正弦訊號波形的各個半循環之間的一非零時間期間之一零值。
該種方法係亦可包括：根據PWM以控制於一變壓器的一電磁場；及，根據PWM以控制其構成為控制至該負載的電力遞送之電力開關。
該種方法係亦可包括：遞送非正弦訊號波形至其包括一主動功率因數修正(PFC,power factor correction)控制器之一負載。
一個實施例係包括：執行軟體以控制非正弦訊號波形。
實施例係可用於一變流器或一不中斷電力供應(UPS)。
於一個實施例，取樣係包括：基於多次循環(cycle-to-cycle)而取樣非正弦訊號波形，且確定是否連續循環為指出該負載隨著時間經過而需求較多電力係基於連續循環。於該情形，工作寬度係增大以補償該負載為需求較多電力。
自一已知循環的輸出訊號取樣係可得到於其偏移自該已知循環起始為已知循環之週期的約八分之一、小於已知循環之週期的一半、或小於已知循環之週期的四分之一的一點。
確定是否連續循環為指出該負載隨著時間經過而需求較多電力係可包括：比較其代表自多次循環(cycle-to-cycle)的非正弦訊號波形之取樣的變化為對照一臨限，例如：10伏特。
於一個實施例，產生該非正弦訊號波形係包括：計算該工作寬度。增大該工作寬度係可包括：重新計算該工作寬度以確定一重新計算的工作寬度，基於輸出訊號取樣且進而基於：若該負載係小於一臨限，平均自一個已知循環與在該已知循環前的一或多個循環之輸出訊號取樣。若該負載係非為小於臨限，自該已知循環之輸出訊號取樣係可運用。計算該工作寬度係可進而基於：重設該工作寬度至高於該重新計算的工作寬度之一值，使得其產生針對於該非正弦訊號波形的各個半循環之間的一非零時間期間之一零訊號位準。工作寬度為重設至其之值係可為該重新計算的工作寬度之108%。
於一個實施例，該非正弦訊號波形係取樣於一個已知循環內的多個瞬間，且確定該負載是否為隨著時間經過而需求較少電力係基於該已知循環內的取樣。調整工作寬度係可包括：當一預定狀態為滿足或滿足後而歸零該非正弦訊號波形。關於負載是否為隨著時間經過而需求較少電力之確定係可包括：代表於該已知循環內的非正弦訊號波形之取樣的變化對照一臨限(例如：5伏特的差異)之比較。
另一個實施例係一種系統，其包括：一處理器，用於實行計算功能：一主動功率因數修正(PFC)控制器：及，一不中斷電力供應(UPS)，用於遞送其具有一期望訊號特徵之一產生的非正弦訊號波形至其包括該處理器與該主動PFC控制器之一負載。該UPS係基於該負載為隨著時間經過而需求較多或較少的電力之一確定以調整該非正弦訊號波形的一工作寬度。該確定係基於非正弦訊號波形的輸出訊號取樣。
本發明之範例實施例的說明係如下。
具有非正弦波形(尤其是：方波形)之不中斷電力供應(UPS)系統係已經得知為不相容於其特徵描述為一種主動功率因數修正(PFC)負載(即：具有一主動PFC控制器)之一特定種類的負載。方波形與功率因數修正(包括：主動PFC)之概括說明係如下。
一方波形(方波)係一週期波形，典型而言，於一個循環係包括一“高”(固定)訊號位準於一既定期間(工作寬度)，隨後為零訊號位準之一區域，且接著一“低”訊號位準。脈衝寬度調變係典型為隨著方波而運用於UPS系統，調變工作寬度以達成一期望的輸出特徵，諸如：期望的均方根(RMS)電壓。
一種系統的功率因數(於0與1之間的一無尺度的量)係系統的實際功率對其視在功率之比值。測量單位為瓦特之實際功率(或實功率)係耗散(即：使用)的功率之實際量，指示該系統為隨著時間經過而實行工作的容量。實際功率係一電路(例如：電阻器)之電阻(耗散)元件的一函數。視在功率(測量單位為伏特-安培)係系統之電流與電壓的乘積。當電抗元件(例如：電感器或電容器)為存在，電流與電壓係非為同相，致使該功率係針對於各個循環的一部分為負。因此，於各個循環的一部分期間所遞送的一些功率係於另一部分期間為返回，致使實際功率為小於視在功率。換言之，若電抗元件係存在於系統之中，視在功率(其為阻抗之一函數)係大於實際功率。
依據基礎建設需求的觀點而言，電抗負載(系統)係對於公用事業提供者為麻煩，由於電力係浪費於發電機(電力柵)與(電抗)負載之間的電線之電阻。因此，功率因數修正(PFC)技術係已經發展以提高電抗負載之功率因數。
被動PFC係運用被動電路元件(例如：電感器或電容器)以補償該負載的電抗。舉例而言，一負載的電感電抗係可藉由附加其抽取一相等且相反量的電抗功率之另一個負載(例如：一電容電抗，諸如藉著並聯附加的一電容器)而補償。此技術係造成該電路的總阻抗為接近等於電阻，造成其接近1之一功率因數。
反之，主動PFC係運用一單獨的電路(非僅是被動電路元件)以補償該電抗負載。主動PFC係電阻式抽取自線路之電力，藉以供應電力至電抗負載。此技術係隔離該負載與線路，且相較於被動PFC而造成較佳的功率因數修正。
近來，PFC負載設計之運用係已經成為較普遍，且諸多的調節係需要PFC之運用。然而，主動PFC負載之運用係引來對於運用方波之不中斷電力供應(UPS)技術的挑戰。本發明之實施例係對付此等挑戰且為可應用至圖1與3之UPS拓撲、如同於圖2之變流器組態、以及其他UPS與變流器組態。
圖1係根據本發明之一個實施例的一種實例的伺服器室組態。伺服器室100係包括數個裝置，例如：計算裝置，包括：伺服器A 110a、與伺服器B 110b。為了保護高值的設備(諸如：伺服器)以防停電，提供正弦波形之一UPS 150係連接至伺服器A 110a與伺服器B 110b。UPS 150係抽取自幹線(柵)170之AC電力160。假使發生停電，正弦波UPS 150係遞送一正弦波形115至伺服器A 110a。如由展開圖116所示，遞送的電壓117與電流118係彼此為同相。
較低值的設備(諸如：端子)係可經由較不昂貴的UPS系統而保護，較不昂貴的UPS系統係可提供非正弦波形，諸如：方波。圖1係顯示一方波UPS 140為連接至一端子120(其代表一被動PFC負載)、及至其具有未顯示的一主動PFC控制器之一端子130。方波UPS 140係亦抽取自幹線170之AC電力160。於圖1之範例的實施例，遞送至被動PFC端子120之方波125、及遞送至主動PFC端子130之方波135係顯示於個別展開圖126與136；舉例而言，此情況係對應於停電期間的功能性。於一停電狀態所遞送至被動PFC端子120之輸出電壓127與電流128係規則型的方波。遞送的輸出電流128係不超過最大額定電流129，如由水平虛線所指示。
主動PFC負載(諸如：主動PFC控制器)係典型為設計以適當操作在標稱線路狀態下。然而，當一主動PFC負載係於電池模式(例如：於停電之情況)為連接至一方波UPS，主動PFC負載係將典型為起始需求(即：消耗)電力，造成於方波UPS 140之輸出電壓137的減小。換言之，具有主動PFC控制器之端子130所代表的負載係(自該UPS)於此時間期間為迅速抽取電流138，藉以自異常狀態(電力不足)而復原且維持電力特徵(例如：根據該負載的指定電力需求，如由主動PFC控制器所調節)。事實上，電流係可能超過最大容許度143，可能損壞UPS或是致使UPS為禁能其輸出以保護其本身，造成對於使用者設備之下降的負載或損壞。具有較高的電力額定值之裝置係可能未受影響，但是較高的電力額定值係造成硬體設計之較高的成本。舉例而言，負載係可能於是繼續過度抽取電流以充電該負載之一內在的電容器(未顯示)。當負載係不再需要抽取自方波UPS 140之大電流，該負載係降低於一區間139的電力消耗。於低電力抽取之區間139，輸出電壓137係基於該UPS之電池電壓而上升回到一位準。
根據本發明之一個實施例，下降電壓137之一情形係偵測，且下降訊號137之工作寬度係於補償為延伸(141)。上升電壓(例如：於區間139)之一情形係偵測，且該電壓訊號之工作寬度係於補償為減小(142)，例如：藉由將該電壓訊號歸零。
應為瞭解的是：雖然上述範例的實施例係關於電壓而呈現，電流係亦可運用於本發明之實施例。如本文所述，術語“訊號”係可意指電壓或電流之情形。熟悉此技術者係應理解的是：諸如電流控制電壓與感測電阻器之技術係可運用以互換於電壓實施例與電流實施例之間，藉以使得目前所述的技術為適應於不同實施。
如果電力不足，連接至一方波UPS之一主動PFC負載的前述行為係造成諸多的問題。如稍早所述，過載的電流係可能損壞所連接的裝置。此外，於該波形之各個半循環的迅速輸出電壓變化係可能為有問題，造成峰值變壓波動(不穩定的電壓調節)。於此情況，由負載的電力消耗係可能為不可預測，由於一些PFC負載係已經觀察為於不可預測的方式而停止且重新開始電力消耗。最後，方波UPS系統係可能設計為關閉於該等情況以保護其本身為免於危險的狀況，使得一UPS系統之目的為失敗。
本發明之實施例係對付其連接至主動PFC負載之具有非正弦電壓波形的先前技術UPS系統之缺點。方波形係論述於本文，雖然其他的非正弦波形係同樣為可應用。
本發明之實施例係維持自一方波UPS至主動PFC負載之穩定的輸出電力，藉由穩定化至負載之輸出的實際RMS電壓。
本發明之一個實施例係監視各個脈衝之方波RMS輸出電壓且將其相較於標稱RMS輸出電壓。若一脈衝的RMS輸出電壓係低於標稱RMS輸出電壓，輸出脈衝工作寬度係增大以使得RMS輸出電壓為達到(或成為較接近於)標稱RMS輸出電壓。若一脈衝的RMS輸出電壓係大於標稱RMS輸出電壓，輸出脈衝工作係關閉而使得RMS輸出電壓為受限制於標稱RMS輸出電壓。於此實施例，所有脈衝係監視且當需要時而作調整。
本發明之另一個實施例係監視一種方波脈衝型式與各個脈衝的RMS輸出電壓。針對於其具有上升輸出峰值電壓之脈衝，輸出脈衝工作係當該脈衝的RMS輸出電壓為已經達到標稱RMS輸出電壓而關閉。針對於一120伏特的系統之5伏特上升係可運用以識別此型式的脈衝(上升輸出峰值電壓)。針對於其具有下降輸出峰值電壓之脈衝，輸出脈衝工作寬度係增大以達到(或成為較接近於)標稱RMS輸出電壓。針對於一120伏特的系統之5伏特下降係可運用以識別此型式的脈衝(下降輸出峰值電壓)。
圖2係根據本發明之一個實施例的一種不中斷電力供應(UPS)的方塊圖。圖2係顯示其可連接至一主動PFC負載之一非正弦波形UPS 240，其根據本文所述的技術而無關聯於習用技術之上述的負面影響。UPS 240係包括一波形產生器250，其輸出係由一取樣器260所取樣。造成的輸出訊號取樣265(電流或電壓)係送出至一需求模組270，基於輸出訊號取樣265以確定該負載是否為隨著時間經過而需求較多或較少的電力。基於該確定，一工作寬度調整單元280係可調整該波形之工作。一微控制器290或其他處理器或邏輯係可控制上述的構件以促成一輸出訊號295之遞送，輸出訊號295係未受到習用技術的缺陷所損害，如前所述。
圖3係根據本發明之一個實施例的流程圖300。於過程300，一非正弦訊號波形係產生(310)。非正弦訊號波形係可為一非正弦電壓波形或非正弦電流波形。輸出取樣(例如：輸出電壓取樣)係收集(320)。過程300係包括：確定該負載是否為隨著時間經過而需求較多或較少的電力(330)。該非正弦訊號之工作寬度係調整(340)以遞送一期望訊號特徵(例如：均方根(RMS)訊號位準)至負載。
圖4係描繪根據本發明之一個實施例的取樣的訊號圖。週期波形435的各個週期係為了取樣而可再分為16個時間切片(概括顯示為440)或32個片刻。
圖5係根據本發明之一個實施例的詳細流程圖。於一實施例，非正弦波形係運用脈衝寬度調變(PWM)所產生。該波形的工作寬度係初始計算(505)為：
其中，D係該波形的工作寬度(亦習稱為工作循環)，Vpeak 係峰值電壓，且Vrms 係將遞送至負載之期望的RMS電壓。
視UPS系統的變流器之組態而定，PWM係可用以控制於一變壓器之一電磁場或根據PWM以控制其構成為控制至該負載的電力遞送之電力開關。
在方波輸出為致能(510)之後，輸出電壓係取樣，且該工作寬度係調整以控制該非正弦電壓波形為輸出電壓取樣之一函數，以遞送一期望的均方根(RMS)電壓至負載。調整方法係取決於該取樣之結果而變化，如下所述。
基於多次循環(cycle-to-cycle)(較佳為每個循環一次而可能為每隔一個循環一次或是根據所運用之其他的循環間(inter-cycle)取樣)，取樣係聚集(515)於其偏移自各個循環之起始的一點，根據以下規則之一者：(1)小於該循環之週期的一半；(2)小於該循環之週期的四分之一；或(3)約為該循環之週期的八分之一(該週期的加減5%或符合於作業參數或其他準則的其他百分比)。舉例而言，對應於上述選項(3)之取樣時間係第二個時間切片。取樣於該循環初期的輸出電壓係有用，但是非為於最開始，由於波動係可能存在於最開始。
當負載係確定為相當輕(520)，例如：小於針對於UPS系統之最大電力額定的20%，可能為必須保護該UPS之一變壓器構件為免於飽和，由於突然抽取較高的電流係可能引起輸出電壓為急劇下降。此情形係應用於低頻率(LF,low frequency)設計。於此情形，基於目前(present)循環的輸出電壓取樣與先前(previous)循環的取樣之平均以重新計算該工作寬度(525)係減輕對於電壓波動的效應。換言之，下式係可運用：
其他的平均或濾波技術係可同樣為運用，例如：平均過去三個循環。
若目前循環的峰值輸出電壓係不小於先前循環的峰值輸出電壓(530)，則上述的平均技術係用以重新計算該輸出工作寬度。否則，輸出工作寬度係運用目前的峰值電壓而重新計算(535)。
若輸出電壓係明顯為下降(540)，例如：下降為超過一臨限(諸如：10伏特的一差異)，則本發明之實施例係藉由增大該工作寬度(545)而補償過高的電壓下降。工作寬度係可為於硬體限制內而增大，藉以保存於波形的高與低電壓區域之間的零電壓區域。以此方式，遞送至一負載的輸出電壓係可使得較為接近於一期望的均方根(RMS)電壓(由於增大該工作寬度係補償該下降的峰值電壓)。於一個實施例，工作寬度係重設至該重新計算的工作寬度之108%。該工作寬度係可同樣為由其他因數所增大。
方波輸出係當所需工作寬度(即：重設工作寬度)為達到而禁能(550)。此狀態係可基於一計時器比較值所偵測，該計時器比較值係指出何時以禁能輸出電壓訊號。
圖6係對應於根據本發明之一個實施例的低頻UPS操作的電路圖。此電路圖係一個實例的硬體實施，雖然其他的硬體實施係同樣為思及。舉例而言，感測電阻器係可用於基於電流的實施，如將為熟悉此技術人士所理解，如前所述。於圖6，一微控制器610係提供控制訊號(供應輸出A 615與供應輸出B 620)至一對開關625-a與625-b，開關625-a與625-b係可為藉著MOSFET技術所實施且耦接至一推挽式變壓器630。推挽式(電壓升降式(buck boost))變壓器係概括運用於電力工程以改變一DC電力供應之電壓，即：用於DC至DC轉換。關聯於一電池635之電壓係可反饋至微控制器610以供處理，例如：根據本發明之實施例以調整工作寬度。一負載635係抽取一輸出電壓645，其可反饋(640)至微控制器610(例如：於其構成以接收該訊號之一埠642)以供進一步處理，例如：用於取樣與工作寬度調整。於另一個實施例，一輸出電流650係可反饋至微控制器610以供進一步處理。因此，本發明之實施例係可取樣該輸出電壓、輸出電流、或電池電壓且運用該等取樣以調整工作寬度。
圖7係說明其關聯於根據本發明之一個實施例的低頻操作期間的變壓器飽和之一種情況的訊號圖。關於一輕負載，針對於一些主動PFC控制器，該負載係快速消耗電力，造成一不平衡的輸出電壓，如於圖7所示。此外，此情況係可造成於UPS系統之變流器MOSFET的不平衡運用。
針對於高頻(HF,high frequency)設計，不存在可相比的變壓器飽和考量。因此，下式係可運用：
於此情形，運用僅有目前循環的電壓取樣而非為關於目前循環與過去循環之一平均值係有助於較快速充電負載的內部DC匯流排。
圖8係對應於根據本發明之一個實施例的高頻變壓器操作的電路圖。此電路圖係一個實例的硬體實施，雖然其他的硬體實施係同樣為思及。根據本發明之實施例，一微控制器810係產生一非正弦波形，取樣輸出電壓，且調整工作寬度。於本發明之實施例，微控制器係提供二與六個輸出820之間。一電池830、一高頻變壓器840、與一H電橋850係運用於此實施。於圖8所示之實例的組態，標示為A、B、C、與D之微控制器輸出820係耦接至其標示為A、B、C、與D之H電橋850的對應開關845。對角跨於H電橋850之負載835的不同對開關845(例如：A/D或B/C)係可接通或切斷以改變其遞送至負載835的電力之極性。應為熟悉此技術人士所瞭解的是：少於二個或多於六個微控制器輸出係亦可運用以控制該等開關845，視運用以控制負載之不同的控制訊號組態而定。
因此，本發明之實施例係分別應用至低頻與高頻UPS設計。
參考回到圖5，於本發明之其他實施例，若輸出脈衝係仍為開啟(on)(555)，輸出電壓係取樣於一個已知循環之內的多個瞬間，例如：於每個片刻(tick)，雖然其他的循環內(intra-cycle)取樣方法係可運用(560)。目前的半循環輸出RMS電壓(即：目前為止於已知循環所碰到的輸出電壓取樣之RMS電壓)係計算(565)。若輸出電壓係偵測為上升(570)，例如：基於其大於一臨限(諸如：一5伏特差異)之於取樣的一差異，則PFC負載係得知為隨著時間經過而需求較少電力，即：降低電力消耗。於此情形，若目前的半循環輸出RMS電壓係已達到期望(標稱)輸出RMS電壓，電壓波形係歸零(設定至零電壓)(575)。
因此，當PFC負載係停止抽取自方波UPS之大電流，本發明之實施例係追蹤輸出電壓且當其精確達到標稱輸出電壓(例如：美國為115伏特)而將其禁能(例如：將其歸零)。
於此情形，負載之內部DC匯流排係非為於一低電壓位準，且本發明之實施例係精確維持輸出電壓於標稱電壓，使得負載將不會為過度充電。
以此策略，PFC負載與方波UPS輸出係均成為穩定。因此，本發明之實施例係解決方波UPS與主動PFC負載之不相容性。
圖9A至9C係訊號軌跡，顯示根據本發明之一個實施例的訊號波形。本文所述的技術係已經以方波UPS系統與主動PFC負載所測試，且圖9A至9C係展示本發明之實施例的功效。圖9A係顯示當一主動PFC負載為在一停電930之後而抽取自一方波UPS的電力時之輸出電壓910a與輸出電流920a，其並未應用本發明之實施例。該輸出電壓係可看出為波動(指示不良的電壓調節)，且該輸出電流係可看出為突波。圖9B係顯示其應用本發明之實施例的結果。輸出電壓910b與輸出電流920b係可看出為較佳調節。圖9C係顯示其應用本發明之實施例且等待直到電路行為已穩定的結果。輸出電壓910c與輸出電流920c係可看出為適當調節的週期波形。
本發明之實施例係可實施於硬體、韌體、或軟體，以致能於非正弦UPS系統與主動PFC負載之間的相容性。於一些實施例，除了已經可利用的方波UPS系統之外，無需附加的硬體構件，因此使得成本為最小化。換言之，軟體係可執行以控制非正弦電壓波形。軟體係可為其儲存於一電腦可讀媒體之指令的形式，當其執行時，致使一處理器以實行上述及於圖3與5的處理。
藉著本發明之實施例，UPS系統之不穩定的暫態係縮短，使得UPS輸出為穩定化。因此，欲支援PFC負載之UPS系統的能力係改良。
揭示的實施例係可應用至任何UPS拓撲，諸如：離線、線路互動、或雙重轉換。
圖10係一種典型的先前技術的UPS 10之方塊圖，於一種離線(備用)UPS拓撲而用以提供調節的不中斷電力。UPS 10係包括：一輸入濾波器/突波保護器12、一轉接開關14、一控制器16、一電池18、一電池充電器19、一變流器20、及一DC-DC轉換器23。該種UPS係亦包括：一輸入24，用於耦接至一AC電源；及，一出口26，用於耦接至一負載(未顯示)。
UPS 10係操作如下。濾波器/突波保護器12係透過該輸入24以接收自AC電源之輸入AC電力，濾波該輸入AC電力且提供已濾波後的AC電力至轉接開關14與電池充電器19。轉接開關14係接收自該濾波器/突波保護器12的AC電力且亦接收自該變流器20的AC電力。控制器16係確定其可得自該濾波器/突波保護器12的AC電力是否為於預定容許度內，且若是如此，則控制該轉接開關14以提供自該濾波器/突波保護器12的AC電力至出口26。一整流器(未顯示)係運用以轉換交流(AC)至直流(DC)以供通過電池18。
若自該整流器的AC電力係非於預定容許度內，此可能因為“降低電壓(brown out)”、“高線路(high line)”、或“停電(black out)”狀態或歸因於電力突波而發生，則控制器16係控制該轉接開關以提供自變流器20的AC電力。DC-DC轉換器23係一選用式構件，其轉換電池18之輸出至其可為相容於變流器20之一電壓。視運用的特定變流器與電池而定，變流器20係可實施為直接或透過一DC-DC轉換器而耦接至電池18。
先前技術的UPS 10之變流器20係接收自DC-DC轉換器23的DC電力，轉換DC電壓至AC電壓，且調節該AC電壓至預定規格。變流器20係提供已調節後的AC電壓至轉接開關14。視電池18的容量與負載的電力需求而定，UPS 10係可於短暫的電源“失靈”期間或針對於長期的停電而提供電力至負載。於典型的中度電力、低成本的變流器，諸如：UPS 10之變流器20，AC電壓之Z波形係具有矩形的形狀而非為正弦的形狀。
圖11係一種典型先前技術的變流器電路1100的電路圖，變流器電路1100係耦接至一DC電壓源1118a且耦接至一典型的負載1126，負載1126係包含一負載電阻器1128與一負載電容器1130。DC電壓源1118a係可為一電池(未顯示)。
典型的負載係具有一電容構件，歸因於負載中的一EMI濾波器之存在。變流器電路1100係包括四個開關S1、S2、S3、與S4，如同圖8之開關845的類似組態。開關S1-S4各者係運用功率MOSFET裝置所實施，功率MOSFET裝置係包括其具有個別的本質二極體1104、1110、1116、與1122之個別的電晶體1106、1112、1118、與1124。電晶體1106、1112、1118、與1124之各者係分別具有一閘極1107、1109、1111、與1113。如為熟悉此技術人士所瞭解，開關S1-S4各者係可運用輸入至其閘極之一控制訊號所控制。
圖12係一種用於提供AC電力至負載之線路互動式UPS拓撲的方塊圖。根據本發明之一種不中斷電力供應的一個實施例係將關於圖12而描述。UPS 1210係包括：一輸入1212，以接收自一AC電源之AC電力；一輸出1214，其提供AC電力；一電池1222，耦接至一DC至DC轉換器1215；一變流器1218，操作為耦接至DC至DC轉換器1215以接收DC電力且提供AC電力；一轉接電驛1216，選擇性為耦接至UPS輸入1212與變流器1218；一UPS控制器1217；一EMI/突波濾波器1221；一電池充電器1225與一自動電壓調節(AVR,automatic voltage regulation)變壓器1220，耦接至轉接電驛1216；及，至少一個AVR電驛1233。UPS 1210係更包括：一UPS控制器1217，其監視及控制UPS 1210之操作。AVR 1220與其關聯的電驛係選用裝置，其用於至少一個實施例以允許UPS 1210為操作於較廣範圍的輸入電壓。
UPS 1210係操作如下。UPS 1210係透過輸入1212以接收自AC電源之AC電力，濾波所輸入的AC電力且提供濾波後的AC電力至轉接電驛1216。轉接電驛1216係接收濾波後的電力且亦接收自DC/AC變流器1218之電力。控制器1217係確定其可得自AC電源之電力是否為於預定容許度內，且若是如此，則控制該轉接電驛以提供自AC電源之電力至輸出。若自AC電源之電力係非為於預定容許度內(其可能因為電壓不足“(brown out)”或“停電(black out)”狀態或是歸因於電力突波而發生)，則控制器1217係控制該轉接電驛1216以提供自變流器1218之電力。
UPS 1210之變流器1218係接收自DC-DC轉換器1215之DC電力且轉換該DC電力至AC電力及調節該AC電力至預定規格。視電池1222的容量與負載的電力需求而定，UPS 1210係可於短暫的電源失靈期間或針對於長期的停電而提供電力至負載。
運用儲存於關聯記憶體之資料，控制器1217係實行一或多個指令且監視及控制UPS 1210之操作。於一些實例，控制器1217係可包括一或多個處理器或其他型式的控制器。於一個實例，控制器1217係一商購的通用處理器。於另一個實例，控制器1217係實行本文所揭示功能之一部分於一通用處理器且運用其專用以實行特別的操作之一特定應用積體電路(ASIC,application-specific integrated circuit)以實行另一部分。如此等實例所說明，根據本發明之實施例係可運用諸多特定組合的硬體與軟體以實行本文所述的操作，且本發明係不限於任何特定組合的硬體與軟體構件。
控制器1217的關聯記憶體係包括其儲存針對於UPS 1210之操作所需的電腦可讀寫式資訊之資料儲存器。除了其他資料以外，此資訊係可包括其受到控制器1217之操縱的資料及其可為控制器1217所執行以操縱資料之指令。該資料儲存器係可為一相當高性能、依電性、隨機存取記憶體，諸如：一動態隨機存取記憶體(DRAM,dynamic random access memory)或靜態隨機存取記憶體(SRAM,static random access memory)，或是可為一非依電性的儲存媒體，諸如：磁碟或快閃記憶體。根據本發明之種種實施例係可組織該資料儲存器成為特定化且(於一些情形)獨特的結構以實行本文所揭示的觀點與功能。此外，此等資料結構係可為特定組態以節省儲存空間或提高資料交換性能。
儘管本發明係已經特別關於其範例的實施例而顯示及說明，將為熟悉此技術人士所瞭解的是：於形式與細節之種種的變化係可作成於其而未脫離由隨附申請專利範圍所涵蓋之本發明的範疇。
10．．．不中斷電力供應(UPS)
12．．．濾波器/突波保護器
14．．．轉接開關
16．．．控制器
18．．．電池
19．．．電池充電器
20．．．變流器
23．．．轉換器
24．．．輸入
26．．．出口
100．．．伺服器室
110a．．．伺服器A
110b．．．伺服器B
115．．．正弦波形
116．．．展開圖
117．．．電壓
118．．．電流
120．．．被動PFC端子
125．．．方波
126．．．展開圖
127．．．輸出電壓
128．．．輸出電流
129．．．最大額定電流
130．．．主動PFC端子
135．．．方波
136．．．展開圖
137．．．輸出電壓
138．．．電流
139．．．區間
140．．．方波UPS
141．．．擴大的工作寬度
142．．．減小的工作寬度
143．．．最大容許度
150．．．正弦波UPS
160．．．AC電力
170．．．AC幹線
240．．．非正弦波UPS
250．．．波形產生器
260．．．取樣器
265．．．造成的輸出訊號取樣
270．．．需求模組
280．．．工作寬度調整單元
290．．．微控制器
295．．．輸出訊號
300．．．流程圖
310~340．．．於流程圖300的各個步驟
435．．．週期波形
440．．．訊號圖
500．．．流程圖
505~575．．．於流程圖500的各個步驟
610．．．微控制器
615．．．輸出A
620．．．輸出B
625-a、625-b．．．開關
630．．．推挽式變壓器
635．．．負載
640．．．反饋訊號
642．．．埠
645．．．輸出電壓
650．．．輸出電流
810．．．微控制器
820．．．輸出
830．．．電池
835．．．負載
840．．．高頻變壓器
845．．．開關
850．．．H電橋
910a、910b、910c．．．輸出電壓
920a、920b、920c．．．輸出電流
930．．．停電
1100．．．變流器電路
1104、1110、1116、1122．．．本質二極體
1106、1112、1118、1124．．．電晶體
1107、1109、1111、1113．．．閘極
1118a．．．DC電壓源
1126．．．負載
1128．．．負載電阻器
1130．．．負載電容器
1210．．．UPS
1212．．．輸入
1214．．．輸出
1215．．．轉換器
1216．．．轉接電驛
1217．．．UPS控制器
1218．．．變流器
1220．．．自動電壓調節(AVR)變壓器
1221．．．EMI/突波濾波器
1222．．．電池
1225．．．電池充電器
1233．．．AVR電驛
S1~S4．．．開關
前文係由本發明之範例實施例的較特定說明而顯明，如於伴隨圖式所示，其中，相同的參考符號係指稱於不同圖中的相同零件。圖式係無須為依比例所繪製，而是強調在於說明本發明之實施例。
圖1係根據本發明之一個實施例的一種實例的伺服器室組態。
圖2係根據本發明之一個實施例的一種不中斷電力供應(UPS)的方塊圖。
圖3係根據本發明之一個實施例的流程圖。
圖4係描繪根據本發明之一個實施例的取樣的訊號圖。
圖5係根據本發明之一個實施例的詳細流程圖。
圖6係對應於根據本發明之一個實施例的低頻變壓器操作的電路圖。
圖7係說明關聯於連接一輕負載的主動PFC至UPS之一種情況的訊號圖。
圖8係對應於根據本發明之一個實施例的高頻變壓器操作的電路圖。
圖9A至圖9C係顯示根據本發明之一個實施例的訊號波形的訊號軌跡。
圖10係針對於用以提供調節不中斷電力的UPS之一種先前技術的備用(離線)拓撲的方塊圖。
圖11係一種典型先前技術的變流器電路的電路圖。
圖12係一種用於提供AC電力至負載之線路互動式UPS拓撲的方塊圖。
100．．．伺服器室
110a．．．伺服器A
110b．．．伺服器B
115．．．正弦波形
116．．．展開圖
117．．．電壓
118．．．電流
120．．．被動PFC端子
125．．．方波
126．．．展開圖
127．．．輸出電壓
128．．．輸出電流
129．．．最大額定電流
130．．．主動PFC端子
135．．．方波
136．．．展開圖
137．．．輸出電壓
138．．．電流
139．．．區間
140．．．方波UPS
141．．．擴大的工作寬度
142．．．減小的工作寬度
143．．．最大容許度
150．．．正弦波UPS
160．．．AC電力
170．．．AC幹線

Claims (20)

  1. 一種控制將遞送至負載的輸出訊號之方法，該種方法包含：產生將遞送至該負載的一非正弦訊號波形，其具有一脈衝寬度調變(PWM)工作寬度；取樣該非正弦訊號波形，基於多次循環且於一個已知循環內的多個瞬間，以收集輸出訊號取樣；基於該等輸出訊號取樣，確定該負載是否為隨著時間經過而需求較多或較少的電力；於補償該負載為需求較多或較少的電力，調整該工作寬度，以控制該非正弦訊號波形為該等輸出訊號取樣之一函數，藉以遞送一期望訊號特徵至該負載。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該輸出訊號係一輸出電壓，該非正弦訊號波形係一非正弦電壓波形，且輸出訊號取樣係輸出電壓取樣。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該期望訊號特徵係一期望的均方根(RMS)訊號位準。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，於降低輸出訊號取樣之情形，調整該工作寬度係包括：增大該工作寬度，且其中，於升高輸出電壓取樣之情形，調整該工作寬度係包括：減小該工作寬度，且選擇性地，其中，減小該工作寬度係匹配輸出電壓取樣之RMS訊號位準至期望RMS訊號位準。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，更包含：根據PWM以控制於一變壓器的一電磁場；及根據PWM以控制其構成為控制至該負載的電力遞送之電力開關。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，更包含：遞送該非正弦訊號波形至其包括一主動功率因數修正(PFC)控制器之一負載。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該取樣係包括：基於多次循環而取樣該非正弦訊號波形，且其中，確定該負載是否為隨著時間經過而需求較多電力係基於連續的循環，且其中，該調整係包括：增大該工作寬度以補償該負載為需求較多電力。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中，產生該非正弦訊號波形係包括：計算該工作寬度，且其中，增大該工作寬度係包含：重新計算該工作寬度以確定一重新計算的工作寬度，基於該等輸出訊號取樣且進而基於：於該負載為小於一臨限之情形，平均自一個已知循環與在該已知循環前的一或多個循環之輸出訊號取樣；及於該負載為非小於該臨限之情形，運用自該已知循環之輸出訊號取樣；且重設該工作寬度至高於該重新計算的工作寬度之一值，以產生針對於該非正弦訊號波形的各個半循環之間的一非零時間期間之一零訊號位準，該值係選擇性地為該重新計算的工作寬度之108%。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該取樣係包括：於該非正弦訊號波形之一個已知循環內的多個瞬間而取樣該非正弦訊號波形，且其中，確定該負載是否為隨著時間經過而需求較少電力係基於該已知循環內的取樣，且其中，該調整係包括：當一預定狀態為滿足時或滿足後而歸零該非正弦訊號波形。
  10. 一種用於控制將遞送至負載的輸出訊號之裝置，該種裝置係包含：一產生器，產生將遞送至該負載的一非正弦訊號波形，其具有一脈衝寬度調變(PWM)工作寬度；一取樣模組，取樣該非正弦訊號波形以收集輸出訊號取樣；一需求模組，基於該等輸出訊號取樣，以確定該負載是否為隨著時間經過而需求較多或較少的電力；及一調整模組，調整該工作寬度，以控制該非正弦訊號波形為該等輸出訊號取樣之一函數以遞送一期望訊號特徵至該負載。
  11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中，該輸出訊號係一輸出電壓，該非正弦訊號波形係一非正弦電壓波形，且輸出訊號取樣係輸出電壓取樣。
  12. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中，該調整模組係調整該工作寬度以遞送一期望的均方根(RMS)訊號位準。
  13. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中，於降低輸出訊號取樣之情形，該調整模組係藉由增大該工作寬度以調整該工作寬度，且其中，於升高輸出電壓取樣之情形，該調整模組係藉由減小該工作寬度以調整該工作寬度。
  14. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中，該調整模組係減小該工作寬度以匹配輸出電壓取樣之RMS訊號位準至期望RMS訊號位準。
  15. 如申請專利範圍第10項之裝置，更包含：一場控制模組，根據PWM以控制於一變壓器的一電磁場；及一開關控制模組，根據PWM以控制其構成為控制至該負載的電力遞送之電力開關。
  16. 如申請專利範圍第10項之裝置，更包含：一遞送模組，遞送該非正弦訊號波形至其包括一主動功率因數修正(PFC)控制器之一負載。
  17. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中，該取樣模組係構成以基於多次循環而取樣該非正弦訊號波形，且其中，該需求模組係確定是否連續的循環為指出該負載隨著時間經過而需求較多電力，且其中，該調整模組係構成以增大該工作寬度以補償該負載為需求較多電力。
  18. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中，該產生器係構成以計算該工作寬度，且其中，該產生器係構成以增大該工作寬度，藉由：重新計算該工作寬度以確定一重新計算的工作寬度，基於該等輸出訊號取樣且進而基於：於該負載為小於一臨限之情形，平均自一個已知循環與在該已知循環前的一或多個循環之輸出訊號取樣；及於該負載為非小於該臨限之情形，運用自該已知循環之輸出訊號取樣；且重設該工作寬度至高於該重新計算的工作寬度之一值，以產生針對於該非正弦訊號波形的各個半循環之間的一非零時間期間之一零訊號位準，該值係選用式為該重新計算的工作寬度之108%。
  19. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中，該取樣模組係構成於該非正弦訊號波形之一個已知循環內的多個瞬間而取樣該非正弦訊號波形，且其中，該需求模組係基於該已知循環內的取樣以確定該負載是否為隨著時間經過而需求較少電力，且其中，該調整模組係構成以當一預定狀態為滿足時或滿足後而歸零該非正弦訊號波形。
  20. 一種用於控制將遞送至負載的輸出訊號之系統，該種系統係包含：一處理器，實行計算功能；一主動功率因數修正(PFC)控制器；及一不中斷電力供應(UPS)，遞送其具有一期望訊號特徵之一產生的非正弦訊號波形至其包括該處理器與主動PFC控制器之一負載，該UPS係構成以基於該負載為隨著時間經過而需求較多或較少的電力之一確定以調整該非正弦訊號波形的一工作寬度，該確定係基於該非正弦訊號波形的輸出訊號取樣。
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