CN102684513A - 不间断电源及其整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不间断电源及其整流电路，该整流电路包括：其输入端连接电源的SCR整流器；其原边连接电源和SCR整流器的输入端的变压器；高频整流器，其输入端连接变压器的副边，以及其输出端串联连接SCR整流器的输出端以便通过SCR整流器和高频整流器的串联来输出所述直流电压；和整流控制器，其根据所检测的流入SCR整流器和变压器的总输入端的电流计算总输入端的谐波电流，或者根据所检测的流入SCR整流器的输入端的电流计算流入SCR整流器的谐波电流，并根据所计算的谐波电流控制高频整流器产生与所计算的谐波电流相反的谐波电流。实施本发明的技术方案，可减小甚至消除总输入端的谐波电流，提高了功率因数值，从而使总输入端的电流为近似正弦波电流。

Description

不间断电源及其整流电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术，更具体地说，涉及一种不间断电源(UPS)及其整流电路。
背景技术
随着人们对数据保护需求的日益增加，UPS(Uninterruptible PowerSupply，不间断电源)获得了越来越广泛的使用。目前，大功率UPS常采用SCR(Silicon Controlled Rectifier，可控硅)整流器，该SCR整流器将变化的输入电压通过全桥SCR整流器的移相削波调整后稳压到蓄电池所需要的电压，给蓄电池提供需要的充电电压。SCR整流器由于其简单，可靠，成本低，得到了长期广泛的应用。
图1是现有技术的一种UPS的电路图，该UPS包括三相交流输入源Source、开关CB1、电感L1、全桥SCR整流器SCR1、电容C1、开关CB2、蓄电池Battery、逆变器INV1、电感Lout、交流滤波电容Filter Cap2。三相电压源Source所输出的交流电压通过开关CB1送入到电感L1，通过全桥SCR整流器SCR1后稳压到希望的直流电压，电容C1为平波电容，蓄电池Battery的两端通过CB2开关连接到直流母线上。逆变器INV1再将直流电压逆变出交流电压，该交流电压通过三相电感Lout和三相交流滤波电容Filter Cap2滤波，在输出端得到交流电压。
但是，由于SCR管自身的特点，使流入全桥SCR整流器的谐波电流大，功率因数低，对电网和其他设备存在严重的干扰，高频的谐波电流不仅导致与该UPS相连的设备的误动作，还造成谐波损耗。
在要求绿色环保的今天，需要给SCR整流器的输入端配上另外的无源或有源滤波器来减小谐波电流，这样不仅体积大，重量重，而且增加了成本。
另一种减小谐波电流的方法是使用IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)整流器来取代SCR整流器，以实现PF(Power Factor，功率因数)校正。但是，这样做使得成本增加，效率降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述流入SCR整流器的谐波电流大、输入功率因素低的缺陷，提供一种整流电路，能减小交流输入源的谐波电流，提高输入功率因数，并且降低成本。
根据本发明的一方面，提供了一种用于将电源输出的交流电压转换为直流电压的整流电路，该整流电路包括：其输入端连接所述电源的SCR整流器；其原边连接所述电源和所述SCR整流器的输入端的变压器；高频整流器，其输入端连接所述变压器的副边，以及其输出端串联连接所述SCR整流器的输出端以便通过所述SCR整流器和所述高频整流器的串联来输出所述直流电压；和整流控制器，其根据所检测的流入SCR整流器的输入端的电流和流入变压器的原边的电流之和计算流入整流电路的谐波电流，或者根据所检测的流入SCR整流器的输入端的电流计算流入SCR整流器的谐波电流，并根据所计算的谐波电流控制高频整流器产生与所计算的谐波电流相反的谐波电流。
本发明还构造一种UPS，包括根据本发明的整流电路、蓄电池和逆变器，所述整流电路输出的直流电压为蓄电池充电，所述逆变器将整流电路输出的直流电压逆变为交流电。
实施本发明的技术方案，整流控制器根据所检测的流入整流电路的总输入端的电流计算总输入端的谐波电流，或者根据流入SCR整流器的输入端的电流计算流入SCR整流器的谐波电流，并根据所计算的谐波电流控制高频整流器产生与所计算的谐波电流相反的谐波电流，所产生的谐波电流与所计算的谐波电流相加后为零，这样就减小甚至消除总输入端的谐波电流，提高了功率因数值，从而使总输入端的电流大致上为正弦波电流。而且，由于通过串联连接高频整流器和SCR整流器来输出直流电压，因此高频整流器不是满功率变换，使得其体积和成本均较低。
另外，通过使高频整流器补偿输入的无功分量，可以使总输入端的电流基本上为正弦波电流。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术的一种UPS的电路图；
图2是本发明UPS实施例一的逻辑图；
图3是本发明UPS实施例二的逻辑图；
图4是本发明UPS实施例三的电路图；
图5是根据本发明一实施例的整流控制器的逻辑图。
具体实施方式
如图2所示，在本发明UPS实施例一的逻辑图中，该UPS包括整流电路、蓄电池和逆变器，在诸如三相交流输入源的电源正常时，整流电路将电源输出的交流电压整流为直流电压，该直流电压为蓄电池充电，同时，逆变器将整流电路输出的直流电压逆变为交流电，以给该UPS的负载(未示出)供电。下面着重说明该UPS的整流电路。
在该UPS的整流电路中，包括有：SCR整流器、变压器、高频整流器和整流控制器，电源的输出端分别接SCR整流器的输入端及变压器的原边，变压器的副边连接所述高频整流器的输入端，SCR整流器和高频整流器串联后输出直流电压。整流控制器连接电源和高频整流器，该整流控制器检测流入SCR整流器的输入端和变压器的原边的电流之和(也称为总输入端的电流)，根据所检测的总输入端的电流计算总输入端的谐波电流，例如，可通过傅里叶变换来计算谐波电流。关于谐波电流的计算方法，本领域技术人员可以根据实际需要来选择，其细节不再赘述。在计算出谐波电流后，根据所计算的谐波电流控制高频整流器产生与所计算的谐波电流相反的谐波电流，具体为：该整流控制器把计算出的谐波电流求反后得到控制信号，通过输出经该控制信号调制后的驱动脉冲来控制高频整流器的开关管的通断，使高频整流器产生与所计算的谐波电流相反的谐波电流，这样，就减小甚至消除总输入端的谐波电流，提高了功率因数值，从而使总输入端的电流为近似正弦波电流。
另外，通常情况下变压器可能产生的谐波电流显著小于SCR整流器所产生的谐波电流。因此，该整流控制器可以只检测流入SCR整流器的输入端的电流，根据所检测的电流计算流入SCR整流器的谐波电流，并根据所计算的谐波电流控制高频整流器产生与所计算的谐波电流相反的谐波电流。
本实施例中，高频整流器并联在SCR整流器的输入端，通过高频整流器的谐波电流补偿功能实现了总输入端的PF校正，使得根据本实施例的整流电路既有SCR整流器的简单可靠成本低的特点，又减小甚至消除了总输入端的谐波电流，提高了功率因数值。
而且，由于通过串联连接高频整流器和SCR整流器来输出直流电压，因此高频整流器不是满功率变换，例如通常只有20％的额定功率，使得其体积和成本均较低。
应当说明的是，当电源为三相的交流输入源时，本申请所提及的SCR整流器、高频整流器、变压器均为三相。
优选地，SCR整流器和高频整流器分别为全桥SCR整流器和全桥高频整流器。全桥高频整流器可采用全桥IGBT整流器或全桥MOS整流器，全桥IGBT整流器或全桥MOS整流器均为高速全控器件。
优选地，变压器为降压变压器，这样，变压器不仅起到了隔离作用，同时使得高频整流器的电压应力大大降低，因此，高频整流器可选用低耐压、低损耗、速度高、价格低的器件。当变压器的副边电压足够低时，也相应地降低了导通压降，高频整流器可选用MOS管构建的全桥MOS整流器，另外，也可选用较小尺寸及较轻重量的其它器件，如电感，电容等。
在图3所示的本发明UPS实施例二的辑图中，该UPS包括整流电路、蓄电池和逆变器，在诸如三相交流输入源的电源正常时，整流电路将电源输出的交流电压转换为直流电压，该直流电压为蓄电池充电，同时，逆变器将整流电路输出的直流电压逆变为交流电，以给该UPS的负载(未示出)供电，下面着重说明该UPS的整流电路。
在该UPS的整流电路中，包括有：SCR整流器、变压器、高频整流器和整流控制器，电源的输出端分别接SCR整流器的输入端及变压器的原边，变压器的副边连接所述高频整流器的输入端，SCR整流器和高频整流器串联后输出直流电压。整流控制器连接电源、SCR整流器和高频整流器。相比实施例一中的UPS，本实施例的UPS所不同的是：整流控制器除了通过控制高频整流器来实现谐波电流补偿之外，还通过调节SCR整流器的输出电压来稳定直流输出电压Udc。本实施例中，高频整流器的输出电压为预定的直流电压，该整流控制器检测SCR整流器和高频整流器串联后所输出的直流电压Udc，并根据所检测的直流电压Udc调节SCR整流器的输出电压，使直流电压Udc为期望电压值。具体可为：该整流控制器根据所检测的直流电压Udc发出驱动脉冲，以控制SCR整流器的SCR管的通断，使直流电压Udc为期望电压值。例如，该整流器控制器包括电流电压双环控制电路，其根据所检测的直流电压Udc和SCR整流器的输入电流产生控制信号，然后利用该控制信号来对脉冲信号进行调制，例如调制脉冲信号的脉冲宽度，以得到驱动脉冲。不局限于这里公开的内容，本领域技术人员可根据实际需要选择其他生成驱动脉冲的方法。
在另一实施例中，整流控制器除了调节SCR整流器的输出电压之外，还通过调节高频整流器的输出电压来稳定直流输出电压Udc。具体地，该整流控制器检测SCR整流器和高频整流器串联后所输出的直流电压Udc和SCR整流器的输出电压Udc1，并根据所检测的电压Udc和Udc1控制SCR整流器和高频整流器，使串联后所输出的直流电压Udc为期望电压值，具体可为：该整流控制器根据所检测的电压Udc和Udc1发出两组驱动脉冲，其中，第一组驱动脉冲控制SCR整流器的SCR管的通断，使SCR整流器输出第一直流电压，第二组驱动脉冲控制高频整流器的开关管(例如IGBT管)的通断，使高频整流器输出第二直流电压，由于SCR整流器和高频整流器串联，所以该第一直流电压和第二直流电压相加后即为直流电压Udc，且该直流电压Udc可达到期望电压值。通常情况下，SCR整流器的SCR管为满导通，使输入的功率因数较高，总输入端的谐波电流较小。
此实施例中，通过高频整流器的电压调节功能和谐波电流补偿功能，可以实现总输入端的PF校正和直流电压稳定的快速调节，从而改善了整流电路的性能，例如，提高了***响应速度。
图4是本发明UPS实施例三的电路图，在该UPS中，三相交流输入源Source输出的三相交流电经开关CB1后分为两路，一路依次经电感L1滤波、全桥SCR整流器SCR1的整流后转换为直流电压Udc1，电容C1为全桥SCR整流器SCR1所输出的直流电压Udc1滤波；另一路经变压器T1隔离及降压、交流滤波电容Filter Cap1滤波、电感L2滤波、全桥IGBT整流器IGBT1整流后输出直流电压Udc2，电容C2为全桥IGBT整流器IGBT1输出的直流电压Udc2滤波。由于全桥SCR整流器SCR1和全桥IGBT整流器IGBT1串联，所以直流电压Udc1和Udc2相加后即为该整流电路总输出的直流电压Udc，即Udc＝Udc1+Udc2。所输出的直流电压Udc经开关CB2给蓄电池Battery提供充电电压，优选地，直流电压Udc对蓄电池Battery进行均浮充，即直流电压Udc给蓄电池Battery提供均浮充电电压。同时，逆变器INV1将所输出的直流电压Udc逆变出交流电压，第三电感Lout和交流滤波电容Filter Cap2为所输出的交流电压滤波。
整流控制器U1检测直流电压Udc和Udc1，经计算后发出两组6路驱动脉冲Drver1、Driver2来分别控制SCR整流器SCR1中的SCR管和IGBT整流器IGBT1中的IGBT的通断，具体地，驱动脉冲Driver1驱动全桥SCR整流器SCR1使其输出直流电压Udc1，驱动脉冲Driver2驱动全桥IGBT整流器IGBT1使其输出直流电压Udc2。正常情况下SCR管基本为满导通，使总输入端的功率因素较高，总输入端的谐波电流较小，整流控制器U1主要控制驱动脉冲Driver2，调节全桥IGBT整流器的输出直流电压Udc2，使得直流电压Udc1和直流电压Udc2的和为期望电压值。由于采用全桥SCR整流器SCR1和全桥IGBT整流器IGBT1的联合控制，可以使控制简单高效，全桥SCR整流器SCR1采用慢速调节，保持总输出的直流电压Udc大致稳定，同时，采用全桥IGBT整流器IGBT1可实现快速调节，从而快速高效地实现直流电压Udc达到期望电压值。
同时，全桥IGBT整流器IGBT1还相当于一谐波滤波器。整流控制器U1通过检测总输入端的电流或者SCR整流器SCR1的输入端的电流，计算总输入端或者SCR整流器SCR1的输入端的谐波电流，然后控制全桥IGBT整流器IGBT1发出相反的谐波电流，该谐波电流与总输入端或者SCR整流器SCR1的输入端的谐波电流相加后，就得到近似正弦波电流，从而得到较高的功率因素值及较小的谐波电流。
另外，若三相交流输入源的输出电压较高，整流控制器所输出的驱动脉冲Driver1通过移相控制，使得直流电压Udc1被控制在一个较低的值，此时，总输入端的谐波电流较大，仍由全桥IGBT整流器IGBT1来补偿全桥SCR整流器所产生的谐波，及调节直流电压Udc2的大小。
优选地，在上述实施例中采用电感L2进行滤波时，还可用多个滤波参数较小的电感串联的方式来实现滤波，该多个电感可通过热插拔的方式连接在变压器的副边与全桥高频整流器的输入端之间，这样可提高***的可靠性，使得UPS的生产及维护的成本较低。
同样地，在上述实施例中采用交流滤波电容Filter Cap2进行滤波时，也可选用多个滤波参数较小的交流滤波电容并联的方式来实现滤波，该多个交流滤波电容可通过热插拔的方式连接在变压器的副边，以提高***的可靠性，使得UPS的生产及维护的成本较低。
图5是根据本发明一实施例的整流控制器的逻辑图。如图5所示，该整流控制器包括模数转换电路、SCR驱动控制电路(第一控制电路)、IGBT驱动控制电路(第二控制电路)以及第一和第二脉冲调制信号产生电路。下面结合图4描述整流控制器的工作原理。
该整流控制器检测整流电路的交流侧输入电压以及SCR整流器(图4中的SCR1)的输出电压Udc1和其输入端的电流，检测的模拟信号经过模数转换电路进行模数转换，然后送入到SCR驱动控制电路。SCR驱动控制电路例如包括电压电流双闭环控制电路，其中数字化的输出电压Udc1与设定的值进行PID(Proportion Integral Differential，比例积分微分)调节，得到的信号作为电流环的给定输入与数字化的SCR整流器输入端的电流进行PID调节，然后得到的信号与数字化的交流侧输入电压进行同步以生成用于调节输出电压Udc1的控制信号(第一控制信号)。生成的控制信号被送入到第一脉冲调制信号产生电路。第一脉冲调制信号产生电路通过利用该控制信号对脉冲信号进行调制，例如脉冲宽度调制，来输出用于驱动SCR整流器的SCR驱动脉冲Driver1。
另外，整流控制器还检测IGBT整流器(图4中的IGBT1)的输出电压Udc2和其输入端的电流，检测的模拟信号经过模数转换电路进行模数转换，然后与上述的数字化的交流侧输入电压和数字化的SCR整流器输入端的电流一起被馈送到IGBT驱动控制电路。IGBT驱动控制电路由两个部分构成：谐波控制信号产生单元，其以数字化的交流侧输入电压为参考，根据数字化的SCR整流器输入端的电流计算出流入SCR整流器的谐波电流，在求反后输出作为用于谐波电流补偿的第二控制信号；和电压控制信号产生单元，其类似于SCR驱动控制电路，例如可以包括IGBT电压电流双闭环控制电路，根据数字化的输出电压Udc2和数字化的IGBT整流器输入端电流生成用于调节输出电压Udc2的第三控制信号。通过使IGBT整流器的输入电流跟踪交流侧输入电压的相位，可以控制IGBT整流器的输入功率因数。将第二和第三控制信号送入到第二脉冲调制信号产生电路，第二脉冲调制信号产生电路通过利用这两个控制信号对脉冲信号进行调制，例如脉冲宽度调制，来输出用于驱动IGBT整流器的IGBT驱动脉冲Driver2。
在一实施例中，谐波控制信号产生单元还可以根据数字化的SCR整流器输入端的电流计算出该电流的基波分量的无功分量，然后将其加入到第二控制信号中，以补偿无功功率。
以上描述的各个实施例涉及不间断电源。本领域技术人员应当理解，根据本发明的整流电路不局限于UPS中采用的整流电路，其可以应用于电动机变频调速器、照明电源、开关电源等领域。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (14)

1.一种用于将电源输出的交流电压转换为直流电压的整流电路，该整流电路包括：
其输入端连接所述电源的可控硅SCR整流器；
其原边连接所述电源和所述SCR整流器的输入端的变压器；
高频整流器，其输入端连接所述变压器的副边，以及其输出端串联连接所述SCR整流器的输出端以便通过所述SCR整流器和所述高频整流器的串联来输出所述直流电压；和
整流控制器，其根据所检测的流入SCR整流器的输入端的电流和流入变压器的原边的电流之和计算流入所述整流电路的谐波电流，或者根据所检测的流入SCR整流器的输入端的电流计算流入所述SCR整流器的谐波电流，并根据所计算的谐波电流控制高频整流器产生与所计算的谐波电流相反的谐波电流。
2.根据权利要求1所述的整流电路，其中所述整流控制器检测所述直流电压，并根据所检测的直流电压控制SCR整流器，使所述SCR整流器和所述高频整流器串联后所输出的直流电压为期望电压值。
3.根据权利要求2所述的整流电路，其中所述整流控制器还检测所述SCR整流器的输出电压，并根据所检测的直流电压和所述SCR整流器的输出电压控制所述SCR整流器和所述高频整流器，使所述SCR整流器和所述高频整流器串联后所输出的直流电压为期望电压值。
4.根据权利要求3所述的整流电路，其中所述整流控制器检测流入SCR整流器的输入端的电流以及流入SCR整流器的输入端的电流和流入变压器的原边的电流之和，所述整流控制器包括：
第一控制电路，其根据所检测的SCR整流器的输出电压和流入SCR整流器的输入端的电流来产生用于调节该输出电压的第一控制信号；
第一脉冲调制信号产生电路，其根据第一控制信号生成用于驱动SCR整流器的第一驱动信号；
第二控制电路，其根据所检测的流入SCR整流器的输入端的电流来产生用于谐波电流补偿的第二控制信号，并且根据所检测的直流电压、SCR整流器的输出电压、流入SCR整流器的输入端的电流以及流入SCR整流器的输入端的电流和流入变压器的原边的电流之和，产生用于调节高频整流器的输出电压的第三控制信号；以及
第二脉冲调制信号产生电路，其根据第二和第三控制信号生成用于驱动高频整流器的第二驱动信号。
5.根据权利要求1-4之一所述的整流电路，其中所述高频整流器为全桥绝缘栅双极型晶体管IGBT整流器或全桥金属氧化物半导体晶体管MOS整流器。
6.根据权利要求1-4之一所述的整流电路，其中所述变压器为降压变压器。
7.根据权利要求1-4之一所述的整流电路，其中所述整流电路还包括电感，所述电感连接在变压器的副边与高频整流器的输入端之间。
8.根据权利要求7所述的整流电路，其中所述电感为多个电感，所述多个电感串联连接，且通过热插拔的方式连接在变压器的副边与高频整流器的输入端之间。
9.根据权利要求1-4之一所述的整流电路，其中所述整流电路还包括连接在所述变压器的副边的交流滤波电容。
10.根据权利要求9所述的整流电路，其中所述交流滤波电容为多个交流滤波电容，所述多个交流滤波电容并联连接，且通过热插拔的方式连接在所述变压器的副边。
11.根据权利要求1-4之一所述的整流电路，其中所述整流电路还包括第一电容和第二电容，所述第一电容连接在SCR整流器的两输出端之间，所述第二电容连接在高频整流器的两输出端之间。
12.一种不间断电源，包括根据权利要求1-11之一所述的整流电路、蓄电池和逆变器，所述整流电路输出的直流电压为蓄电池充电，所述逆变器将整流电路输出的直流电压逆变为交流电。
13.根据权利要求12所述的不间断电源，其中，所述直流电压对所述蓄电池进行均浮充。
14.根据权利要求12所述的不间断电源，其中，所述整流控制器通过移相控制降低SCR整流器输出的直流电压。
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