WO2001050571A1

WO2001050571A1 - Alimentation continue sans dissipation

Info

Publication number: WO2001050571A1
Application number: PCT/CN2000/000730
Authority: WO
Inventors: Baichao Yu
Original assignee: Baichao Yu
Priority date: 2000-01-03
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2001-07-12
Also published as: CN1271986A; US20030002308A1; AU2342301A; US6738276B2; CN1110116C

Description

无功耗不间断电源发明领域

本发明涉及一种无功耗不间断电源。

现有技术

无论是交流不间断电源还是直流不间断电源，其中都有一个全功率变换器，其作用有两个：一是进行功率变换，二是保持电压恒定。所谓 "全功率变换器"，是指一个功率容量恒大于输出功率的 DC— AC或 DC— DC变换器，至于大多少，取决于各自的效率。为了能输出恒定的正弦波电压，普通交流不间断电源的功率变换器（即逆变器）采用了复杂的电路和技术，其成本、体积，重量、功耗均占整机 99%以上。实际上，不间断电源输出的文流电压一进入计算机及其外设，立刻就进行相反的变换，把交流电压整流滤波成直流电压。计算机及其外设真正需要的是交流电压中的直流分量，而不是其中所包含的各次谐波，把直流逆变成交流，实际上是多此一举。同时，交流电压中所包含的各次谐波对计算机及其外设构成了现实的和潜在的威胁，是数据安全的重大隐患，因此，供给计算机及其外设的最佳电压应该是直流电压。另外，电压随时间的缓慢变化对计算机及其外设的稳定运行并不产生任何不利影响，这些设备的内部都采用开关稳压电源，并不要求恒定的供电电压，在市电正常波动范围内，都能稳定可靠地工作。

近期发明的无逆变器不间断电源（ZL97241194.1 ) , 免除了普通交流不间断电源中的逆变器，实现了对计算机及其外设的直流供电，这是一大进步。它虽然不需要全功率变换器，但仍需要补偿电压，以实现输出直流电压的恒定，如果输入交流电压的波动范围为输出直流电压的 20%，则需要一个功率容量为全功率的 20%的 DC 一 DC功率变换器。

不间断电源的使命仅仅在于：当市电中断、用户设备中的直流电压下降到额定值的 75 %之前（一般为 20毫秒）及时切换到蓄电池供电，确保输出电压不中断；当市电电压超出正常范围（过低或过高）时，使输出电压保持在正常范围之内。因此，使输出电压保持在正常范围之内是不间断电源的必要特征，而使输出电压保持恒定则是多余特征。

既然直流供电明显优于交流，进行功率变换已是多此一举；既然计算机及其外设在市电正常波动范围内能稳定可靠地工作，保持电压恒定就大可不必。功率变换器在制造过程中浪费了 99%的资源，在运行过程中浪费了 99%的能源，显然，它在不间断电源中是一个多余的部件。我们的地球资源有限，能源短缺，用不着为了一个并不必要的特征而继续多耗费 99%的资源和能源。

发明简述

本发明的目的旨在克服上述缺点，在保留必要特征和摒弃多余特征的同时，完全兔除普通不间断电源的功率变换器，使效率接近百分之百，使成本、体积、重量减小到原来的百分之一。

本发明的目的是以下述技术方案实现的：设有射频滤波器，整流滤波器、蓄电池，整流滤波器采用半控桥式电路，在整流滤波器之后接有检测电路、控制电路和触发电路。半控整流桥 B1用作全波整流，其输出直流电压和蓄电池的直流电压不经任何功率变换，直接进入用户设备。

整流滤波器的直流电压通过二极管 D4 直接输出，蓄电池的直流电压通过可控硅 SCR3直接输出，两种电压都是 300V左右，同时加到输出端。当市电停电，或输入电压低于预定值（例如 176VAC ) 时， SCR3 导通，在 40微秒（可挖硅的导通时间不大于 40微秒）之内，蓄电池电压就加到输出端。当输入电压高于预定值（例如 264VAC )时， SCR1、 SCR2关断，整流滤波器无输出，高压被切断；与此同时， SCR3 导通，蓄电池电压加到输出端。因此，无论输入交流停电，还是过低、过高，输出电压都能保持在 300V左右。

无功耗不间断电源完全免除功率变换器，具有如下优点：

1. 只有相当于一个半导体 PN结所产生的功耗，整机效率接近百分之百，是一种真正意义上的节能产品；

2. 成本、体积，重量均为相同功率普通不间断电源的百分之一，节约了百分之九十九的资源，是一种真正意义上的环保产品；

3. 没有频率不稳的问题，没有谐波干扰的问题，计算机及其外设运行更稳定，处理、传送数据更安全、更可靠；

4. 因整机发热量小，可采取自然风冷，无须旋转散热装置，可靠性大大提高；又因减少了百分之九十九的零部件，可确保整机在寿命期内无故障。

5. 设计简单，制造容易，便于推广。附图说明

图 1是无功耗不间断电源框图；

图 2是主电路图，包括射频滤波器、整流滤波器和蓄电池；

图 3是检测电路原理图；

图 4是控制电路原理图。

图 5是触发电路原理图。

发明的详细解释

' 在图 1的框图中，输入电压 Vi经射频滤波器滤后，得到洁净的交流电压，此电压经整流滤波器后，变成随时间缓慢变化的直流电压 V0，同时提供负载电流和蓄电池充电电流。检测电路感知输入电压、输出电压和蓄电池电压的种种变化，并将有关这些变化的信息馈送到控制电路，控制电路通过译码，产生状态显示、音响告警和触发信号，触发信号驱动相应的可控硅，控制输入电压 Vi、蓄电池电压 E1 的适时接入和断开。

在图 2的主电路图中，保险 Fl、电容 CI , C2、 C3、 C4、 C5、电感 ID1、 ID2、 ID3组成射频滤波器。二极管 Dl、 D2串联，可控硅 SCR1、 SCR2串联，蓄电池 El、电阻 Rl、二极管 D3 串联，电解电容 C12、二极管 D4 串联，然后，上述四个串联支路并联，其中 Dl、 D2、 SCR1、 SCR2正极向下， D3、 D4、 El、 C12正极向上： SCR3的正、负极分别接 C12的负极和 El的负极；前两个串联支路组成半控整流桥 B1，整机输出电压 V0通过电阻 R3、保险 F2取自 C12的两端；电阻 R4、可控硅 SCR4、 SCR5串联， SCR4、 SCR5的正极向上， R4的一端接 E1的正极， SCR5的负极接 E1 的负极；电解电容 C14的正、负极分别接 SCR4的负极和 C12的负极。半控整流侨 B1和另一个由整流桥 B2、电解电容 C13、电阻 R2组成的全波桥式整流滤波电路一同接在射频滤波器的输出端。检测电压 VT取自 B2的输出端。电阻 R3接在输出回路负端，提供电流采样电压 A0。从图 2输出四组检测电压：输出电压 +V0、 -V0; 蓄电池电压 +E0、 -E0; 输出电流 +A0、一 AO; 输入电压 +VT、 _VT。

图 3 的检测电路由六个结构完全相同的检测通道组成。在第一个检测通道中，光电耦合器件 OPT1 发光二极管的正极通过电阻 R7接 +VT，负极通过电位器 W1 接一 VT， OPT1三极管的发射极和三极管 T1的基极相连，它们的发射极分别通过电阻 R6、 R5接地，它们的集电极都接 + 17V; 控制电路 U1的 2脚、 6脚分别通过电阻 R8、 R9接三极管 Tl的发射极，同时分别通过电位器 W2、 W3接地， U1的 1脚按地， 5脚通过电容器 C6接地， 4脚、 8脚接 + 5V， 3脚产生输出信号 VIH。

第二个检测通道接输入信号 VT，由 OPT2、 T2、 U2、 W4、 W5、 W6、 R10、 Rll、 R12、 R13、 R14、 C7 组成；第三个检测通道接输入信号 V0，由 OPT3、 T3、 U3、 W7、 W8、 W9、 R15、 R16、 R17、 R18、 R19、 C8 组成；第四个检测通道接输入信号 A0，由 OPT4、 T4、 U4、 W10、 Wl l、 W12、 R20、 R21、 R22、 R23、 R24、 C9 组成；第五个检测通道接输入信号 E0，由 OPT5、 T5、 U5、 W13、 W14、 W15、 R25、 R26、 27、 R28、 R29、 CIO组成；第六个检测通道接输入信号 E0，由 OPT6、 Τ6、 U6W16、 W17、 W18、 R30、 R3 R32、 R33、 R34、 Cl l 组成。检测电路从主电路来的四个信号 V0、 E0、 A0、 VT产生出六个输出信号：输入电压过高 VIH、输入电压过低 VIL, 输出电压过高 VOH，输出电流过大 AOH，蓄电池电压低 EL、蓄电池电压过低 ELL。

OPT1 的型号是 4N26, 其发光二极管通过 R7和 W1 接输入信号，有的信号是高压，有的信号是低压，取不同的 R1 降压，再调节 W1 , 以适应不同电压等级的输入信号，使通过 OPT1 发光二极管的电流为最佳工作电流。三极管 T1 是 2SC733 , 和 R4组成射极跟随器，提供一级电流放大。控制电路 U1的型号是 NE555, 2脚和 6脚同时接到 T1的发射极， R8、 R9是隔离电阻。 W2调节臂位置对应输入电压 "过高" 的设定值， W3 的调节臂位置对应输入电压 "不高" 的设定值，调节 W2、 W3 可改变输出信号 VIH对应于输入电压 VT "过高"，和"不高"的转折点。根据 NE555 输入、输出逻辑关系可知：当要检测输入信号 "过高" 时，输出信号是低有效，当要检测输入信号 "过低" 时，输出信号是高有效，在这里 VIH、 V0H、 AOH是低有效，而 VIL、 EL、 ELL则是高有效。

图 4的控制电路由三输入与门 U10A、 U10B、 U10C,二输入与非门 U11A、 U11B、二输入或非门 U12A、二输入与门 U7A， U7B、 U7C、 U7D， U8A， U8B、 U8C、非门 U9A、 U9B, U9C、 U9D组成，它产生五个触发控制信号 TRIG1— TRIG5 , 四个点亮状态指示灯的控制信号：整机正常 ALLOK, 蓄电池放电 EON、输出电压正常 VOOK、输入电压正常 VIOK，一个推动音响告警的控制信号

SPK1 ; 产主上述十个信号的逻辑方程是- TRIGl=TRIG2=!(!VIH#!VOH#!AOH); TRIG3=TRIG4=E0N=!(!AOH#! VOH#!VIH& !VIUELL);

TRIG5=!(VIH&!VIL#AOH& ! ELL&VOH);

ALLOK=！ (！ AOH#VOH#VIL# ! VIH亂 UE1L)；

VOOK=!(!AO議 VOH);

VIOK=!(!VIH#VIL);

SPK=!(!EL&!EI )。

书写上述逻辑方程采用了逻辑设计语言 Abel的符号约定。图 4的电路通过了 Abel 语言的三级模拟，其中 U7A和 U7D是两个冗余门，可减少 TRIG1— TRIG5到达被触发可控硅栅极的时间差。

开关电源 SW1提供全机的控制电压，其输入端正极通过电阻 R35接 +E0，负极直接和 _E0相连，正负极之间接电解电容 C15。输出端有 + 5V和 + 17V两组电压，它们的公共地是 GND。

图 5 的触发电路由五组结构相同的电路组成，每组电路都有一个开关电源提供独立的 + 17V直流电压，这些开关电源输入端的正、负极分别接 +E0、一 E0。

第一组电路触发可控硅 SCR1 , 开关电源 SW6的负极接可控硅 SCR1的负极 K，其正极接光电耦合器件 OPT11三极管的集电极和三极管 T15、 T16的集电极； OPT11 发光二极管的负极通过电位器 W23接地，其正极通过电阻 R55接控制信号 TRIG1 ,

OPT11三极管的发射极和 T15, T16的发射极分别通过电阻 R54、 R53和 R52同时接到可控硅 SCR1的控制极 G。

OPT11的型号是 4N26, 调节 W23，可改变通过 SCR1的触发电流。三极管 T15、

T16 的型号分别是 2SC733、 2SC5250, 它们和 R53、 R52分别组成射极跟随器，提供两级电流放大。

第二组电路由光电耦合器件 OPT10、三极管 Τ13、 Τ14、电位器 W22、电阻 R8、 R49, R50、 R51和开关电源 SW5组成；第三组电路由光电耦合器件 OPT9、三极管 Tll、 T12, 电位器 W21、电阻 R44、 R45、 R46、 R47和开关电源 SW4组成；第四组电路由光电耦合器件 OPT8、三极管 Τ9、 Τ10、电位器 W20、电阻 R40、 R41、 R42、 R43和开关电源 SW3组成；第五组电路由光电耦合器件 OPT7、三极管 Τ7、 Τ8、电位器 W19、电阻 R36、 R37、 R38、 R39和开关电源 SW2组成。

触发电路产生五组触发信号： SCR1 _G、 SCR1 -K; SCR2—G、 SCR2— K ； SCR3 — G、 SCR3-K; SCR4—G、 SCR4—K; SCR5— G、 SCR5— K;分别触发可控硅 SCR1 本发明的工作过程如下：

一、图 2中组成半控整流桥 B1 的可控硅 SCR1、 SCR2在市电正常时总是导通的， B1实际上在进行全波整流，其输出的脉动电压 VD经 C12滤波后变成直流电压

V0输出，同时 VD通过电阻 Rl、 D3向蓄电池 El充电， E1的电压通过 SCR3接到输出端。

当一切正常时，检测电路检测到 VIH= 1、 VIL = 0、 AOH= l、 ELL = 0, 这些信号通过控制电路的逻辑门后，得到 TRIG1、 TRIG2为高， TRIG3、 TRIG4、 TRIG5 为低，于是 SCR1、 SCR2导通， SCR3、 SCR4、 SCR5截止，输出端电压 V0来自半控整流桥 Bl。

二、当蓄电池电压正常、输出端不短路时，有下列三种情况-

1. 市电停电时，检测电路检测到 VIH= 1、 VIL= 1、 AOH= l、 ELL=0, 这些信号通过控制电路的逻辑门后，得到 TRIG1、 TRIG2、 TRIG3为高。 SCR1、 SCR2 因无阳极电流而载止，整流电压 VD等于零， SCR3在此期间一直处于导通状态，蓄电池 E1的电压加到输出端。

当市电恢复供电后， VIL = 0，此信号通过控制电路的逻辑门后，得到 TRIG1、 TRIG2 为高， TRIG3 为低，与停电以前的状态相同。在市电恢复的瞬间，整流通波后的直流电压 V0大于蓄电池 E1的端电压， SCR3因反向偏置而截止。

2. 市电电压过低时，与市电停电的情况类似。所不同时是， SCR1、 SCR2是导通的，整流电压 VD并不等于零。由于 SCR3 已经导通， D4的正极这一边是 E1 的端电压，高于加在 D4负极这一边的整流电压 VD， D4被反向偏置，因此，输出端的电压来自 El。随着市电电压的缓慢回升和蓄电池放电电压的缓谩下降，加在 D4 正负两极的电压会变得非常接近， D4在一定的时刻变成正向偏置，此时输出电流将由 V0和 E0共同提供。当市电恢复正常后， SCR因反向偏置而截止。

3. 市电电压过高时，检测电路检测到 VIH = 0， VIL=0、 AOH= l、 ELL=0, 这些信号通过控制电路的逻辑门后，得到 TRIG、 TRIG2为低、 TRIG3为高， SCR SCR2的控制极不再有触发信号，当交流电压过零时自动截止，于是高压被切断。在此期间 SCR3—直处于导通状态，蓄电池 E1的电压加到输出端。当市电正常后， VIH = 1，此信号通过控制电路的逻辑门后，得到 TRIG1、 TRIG2 为高， TRIG3 为低，恢复到原来的状态。

三、蓄电池电压正常、输出端短路，有下列二种情况：

1. 在交流电压正常时发生意外短路，检测电路检测到 V1H= 1， VIL=0、 AOH =0、 ELL = 0，这些信号通过控制电路的逻辑门后，得到 TRIGl , TRIG2、 TRIG3 为低，于是 SCR1、 SCR2, SCR3截止，输出端电压 V0为零，保护了用户设备的安全。当输出短路故障解除后， AOH- 1 , 恢复到原来的状态。

2. 在交流电压异常（交流停电、过低、过高）时输出端发生意外短路：由前面的分析可知，在发生短路之前，蓄电池电压已经通过 SCR3 接到输出端；短路后，检测电路检测到 NIH = 0或 VIL= 1、 AOH = 0、 ELL=0, 这些信号通过控制电路的逻辑门后，得到 TRIGl , TRIG2 TRIG3为低， TRIG5为高，于是 SCR1、 SCR2截止， SCR5导通。由于 SCR5导通，引起 SCR3截止，输出端电压 V0被切断，保护了用户设备的安全。当输出短路故障解除后， ΑΟΗ= 1，恢复到原来的状态。

这里 SCR5导通引起 SCR3截止的过程与下述蓄电池电压过低时一样。

四、蓄电池电压过低、输出端不短路

在交流电压异常（交流停电、过低、过高）时， SCR3导通，蓄电池电压接到输出端。由图 4中的逻辑电路可以看出， TRIG4是和 TRIG3同步变化的，因而在 SCR3 导通的同时， SCR4 也导通， E1 的电压通过 R4、 SCR4、 C14、 SCR3 串联支路向 C14充电，当流经 SCR4的充电电流小于其保持电流时， SCR4自动关断，此时 C14 上充有与 E1大致相等的电压，当市电停电时间过长，蓄电池放电电压接近警戒电压时， EL= 1， SPK1 发出音响告警， ALLOK状态指示灯灭；当市电继停电，蓄电池放电电压低于警戒电压时， ELL= 1 , 此信号通过控制电路的逻辑门后，使得 TRIG5 为高， SCR5导通， C14上的正电压通过 SCR5的正向直流电阻加到 SCR3的负极，于是 SCR3因反向偏置而截止，蓄电池停止放电，避兔过放电而损坏。

五、蓄电池的充放电

蓄电池 E1 的正极和半控整流桥 B1 的正极相连， E1 的负极通过电阻 Rl、二极管 D3与 B1的负极相连， Bl、 El的正极直接连到输出端， B1的负极通过二极管 D4 接到输出端， E1的负极通过可控硅 SCR3接到输出端。在市电正常时， B1通过 D3 , R1对 E1充电。当 E1刚刚放电完毕，其端电压较低，充电电流很大， R1是限流电阻，此时对 El的充电进入快充模式。当 E1充电快充满时，充电电流变小， R1上的压降很小，对充电回路无影响，此时对 E1的充电进入浮充模式。由于滤波电解电容 C12接在 D4的右边，其左边没有接电解电容，因此，在 D4左、右两边的电压波形是不同的：左边是频率为 100Hz、幅度为 308V的单边脉动正弦波 VD, 右边是随时间缓慢变化的直流电压 V0。 V0 随输入电压、负载大小而波动，但蓄电池的充电电压 VD却始终保持基本不变，约等于交流电压的幅值。这主要是由于 D3、 D4和 SCR3 的隔离作用。只要市电不停电， E1 永远只充电而不放电，并且不随 V0 的变化而波动，使 E1—直浮充到 308V或更高，并且一直保持下去。

六、几点说明

1. 用半控整流桥的目的是为了在市电电压过高时迅速切断高压。如果用普通整流桥，则必须在整流桥之外增加一个可控硅，这一下子就增加了一倍的功率损耗。

2. 图 4中的 SW1和图 5中的 SW2— SW6都是市售小功率开关电源，它们的额定输出功率都在 10W 以内， SW2— SW6 视被触发可控硅的功率大小略有不同。对于整机输出功率在 50KW以内的中小型无功耗不间断电源， SW1— SW6可用一个具有 6个独立绕组的开关电源取代。

3. 当市电超出正常范围时， SCR3导通， E1 的电压加到输出端，此时 E1 完全是自由放电，除 SCR3上的 0.7V压降外，没有其他功耗，效率 =(308—0.7) / 308 = 99.8%。经整流后的直流电压 VD也只通过一个二极管 D4就直接输出，因此，上述效率的计算公式同样适用于市电正常时的情况。

4. 本发明完全保留了不间断电源的必要特征，而其主电器简单到只有几只二极管和可控硅，用额定电流为 100A的整流器件就可以做出 25KW的输出功率，其功效相当于一台 30KVA的普通不间断电源。

Claims

权利要求

1. 一种无功耗不间断电源，设有射频滤波器、整流滤波器、蓄电池，其特征是: 整流滤波器采用半控桥式电器，在整流滤波器之后接有检测电路、控制电路和触发电路。

2.根据权利要求 1所述的电源，其特征是：二极管 D1、D2串联，可控硅 SCR1、 SCR2串联，蓄电池 El、电阻 Rl、二极管 D3串联，电解电容 C12、二极管 D4串联，然后，上述四个串联支路并联，其中 Dl、 D2、 SCR1、 SCR2正极向下， D3、 D4、 El、 C12正极向上； SCR3的正、负极分别接 C12的负极和 El的负极；前两个串朕支路组成半控整流桥 Bl，整机输出电压 V0通过电阻 R3、保险 F2取自 C12的两端；电阻 R4、可控硅 SCR4、 SCR5串联， SCR4、 SCR5的正极向上， R4的一端接 E1的正极， SCR5的负极接 E1的负极，电解电容 C14的正、负极分别接 SCR4 的负极和 C12的负极。

3. 根据权利要求 1所述的电源，其特征是：检测电路由结构相同的六个检测通道组成，在第一个检测通道中，光电耦合器件 OPT1发光二极管的正极通过电阻 R7 接 +VT，负极通过电位器 W1 接一 VT， OPT1 三极管的发射极和三极管 T1 的基极相连，它们的发射极分别通过电阻 R6、 R5接地，集电极都接 + 17V; 控制电路 U1 的 2脚、 6脚分别通过电阻 R8、 R9接三极管 T1的发射极，同时分别通过电位器 W2， W3接地， U1的 1脚连地， 5脚通过电容器 C6接地， 4脚、 8脚接 +5V, 3脚产生输出信号 VIH。

4.根据权利要求 1所述的电源，其特征是：控制电路由三输入与门 U10A、U10B、 U10C、二输入与非门 U11A、 U11B、二输入或非门 U12A、二输入与门 U7A、 U7B、 U7C、 U7D、 U8A、 U8B， U8C，非门 U9A、 U9B、 U9C、 U9D 组成，它产生五个触发控制信号 TRIG1— TRIG5, 四个点亮状态指示灯的控制信号：整机正常 ALLOK、蓄电池放电 EON、输出电压正常 VOOK, 输入电压正常 VIOK, 和一个推动音响告警的控制信号 SPK1 ; 产生上述十个信号的逻辑方程是：

TRIGl=TRIG2=!(!VIH#!VOH#!AOH);

TRIG3=TRIG4=E0N=!(!AOH#! VOH#!VIH& !VIUELL);

TRIG5=!(VIH&!VIUAOH& ! EIX&VOH); ALLOK=!(!AOH#VOH#VIL#!VIH#ELL#EL);

VOOK=!(!AOH#!V0H);

VIOK=!(!VIH#VIL);

SPK=!(!EL&!EI )。

5. 根据权利要求 1所述的电源，其特征是：触发电路由五组结构相同的电路组成，第一组触发可控硅 SCR1 , 开关电源 SW6为本组电路提供独立的 + 17V电压，负极接可控硅 SCR1 的负极 K, 正极接光电耦合器件 0PP11 三极管的集电极和三极管 T15、 T16的集电极； OPT11发光二极管的负极通过电位器 W23接地，正极通过电阻 R55连控制信号 TRIGl , OPT11三极管的发射极和 T15、 T16的发射极分别通过电阻 R54、 R53和 R52同时接到可控硅 SCR1的控制极 G。

6. 根据权利要求 1所述的电源，其特征是：半控整流桥 B1用作全波整流，其输出直流电压和蓄电池的直流电压不经任何功率变换，直接进入用户设备。