CN103597734B - 具有ac电压输出的多输入不可间断电源 - Google Patents

Abstract

一种不可间断电源装置、及其使用方法，包括：多输入源AC转换器，用于接收AC输入电压和DC输入电压；换流器，包括用于组合输入电源的组合器模块；以及AC/AC开关变压器，换流器由控制器控制，以提供输出电压信号，控制器被配置成对输入电压信号、开关信号电流和输出电压信号进行采样，并据此控制开关变压器，以使输出电压信号为正弦的。

Description

具有AC电压输出的多输入不可间断电源

技术领域

本发明涉及不可间断（不断电，uninterruptable）电源的领域。

背景技术

不可间断电源或源（UPS）用于当输入电源（通常是公用干线）故障时向负载提供应急电源。UPS通常通过一个或多个附接电池及相关电子电路提供近-瞬时保护而免于输入电源中断。大多数不可间断电源的接通电池（on-battery）运行时间相对较短（例如，5至15分钟），但足以允许有时间使得辅助电源上线（开始工作，on-line）、或正确地关闭受保护的设备。

图1是现有技术的离线UPS布置100的示意性框图。当正常的电源（公用干线）可用时，选择器110选择干线功率，并将其提供给负载。并联地，充电器120被提供有功率，并且对电池130充电，所述电池被连接于换流器（inverter，变换器）140以便将来自于电池130的直流（DC）功率变换成交流电流（AC）功率。当干线功率不可用时，选择器110切换以便从由电池130供电的换流器140接收功率。但是，基本的离线UPS具有多种缺点。首先，在干线功率下降到低于阈值且选择器切换到换流器时，它可能需要可识别的时间，从而导致了一些短时间的中断功率。因此，为了纠正这种情况，可能要提高阈值；但是，这可能会导致更大数量的切换事件，其中有一些切换事件可能不中断，但是存在较小的功率下降或减弱，从而降低了电池的使用寿命。这种UPS布置的实例可以在美国专利第4,823,247号和第5,081,367号中看到。

图2是现有技术的在线互动式UPS布置200（其是对图1的离线UPS的改进布置）的示意性框图。选择器210、充电器220、电池230和换流器240具有与如上所述它们在图1中的对应部分类似的功能。另外，电池230对换流器250供电，这有助于线路功率。因此，对干线路径的这种内部调整减少了在功率波形的较小波动期间的电池放电。但是，这种布置的一个缺点在于，快速瞬变仍然通过负载。在线式UPS***的实例包括美国专利第4,313,060号和第6,201,371号。

图3是现有技术的双转换UPS布置300的示意性框图。在这种布置中，充电器310、电池320、换流器330和选择器340位于主路径中，从而在干线功率被提供的同时提供功率。因此，电池连续地被充电且连续地向换流器提供功率，所述换流器向负载供电。选择器可绕过（旁通，bypass）电池，例如，当干线功率已恢复以及电池被耗尽时。但是，虽然双转换布置克服了其它布置的一些缺点，但是它连续地依赖于电池功率和换流器，从而以非常低的效率提供功率。在线互动式UPS***的实例包括美国专利第4,719,550号和第4,782,241号。

最后，图4是现有技术的增量转换（delta conversion，δ转换，三角转换）UPS布置400的示意性框图。充电器410、电池420和换流器430具有与前述布置类似的功能。内部换流器440提供了与图2的在线互动式布置类似的内部调整。但是，在增量转换USP中，选择器由求和节点450取代。因此，不是选择使用哪个电源（这可能导致检测和切换延迟），而是求和节点从两个源同时向负载提供功率，从电池供电的换流器440提取校正干线功率水平所需的功率。但是，尽管对其它布置进行了改善，增量转换UPS也有缺点。特别地，因为换流器的有限时间响应以及增量转换调整的结构，功率干线上的任何快速瞬变将传递到负载。此外，增量转换均将从电池供电的换流器提取功率以用于任何电压波动，无论电压波动多么小。增量转换UPS***的实例包括美国专利第6,768,223号。

存在对于克服现有技术的UPS布置的上述缺点中的至少一些的UPS布置的需求。

发明内容

根据本发明的实施例，一种***、设备和/或方法可以包括换流器，换流器适于至少接收来自于第一输入源的第一输入功率以及来自于第二输入源的第二输入功率，并提供输出AC电压，其中，换流器包括：组合器（combiner，合并器），组合第一输入功率和第二输入功率以提供中间信号；以及AC/AC开关变压器（变换器，transformer），用于将中间信号变换成输出AC电压。一种***、设备和/或方法可进一步包括控制器，控制器适于对输入电压信号、开关信号电流、以及输出电压信号进行采样，并且基于所述采样而通过下述方式来控制换流器，所述方式为，向组合器的第一和第二双向开关布置提供控制信号以便组合第一输入功率和第二输入功率从而提供中间信号、以及向AC/AC开关变压器提供控制信号以使输出AC电压信号基本上为正弦的。

根据一些实施例，组合器可至少包括与第一输入功率关联的第一双向开关布置，以及与第二输入功率关联的第二双向开关布置。根据一些实施例，组合器的第一双向开关布置和第二双向开关布置可具有至少四种操作模式，所述操作模式包括接通模式、切断模式、正向模式、反向模式。根据一些实施例，组合器的所述至少第一双向开关布置和第二双向开关布置中的每一个至少包括与反向晶体管和反向二极管并联连接的正向晶体管和正向二极管，其中，控制器通过向相应的正向晶体管和反向晶体管提供开关信号以选择相应双向开关布置的所需操作模式而控制组合器的双向开关布置。根据一些实施例，AC/AC开关变压器包括降压-升压功率部分，降压-升压功率部分包括电感器和多个双向开关布置。

根据一些实施例，控制器向AC/AC开关变压器的双向开关布置提供控制信号，以实现基本上正弦的输出AC电压信号。根据一些实施例，AC/AC开关变压器的双向开关布置中的每一个至少包括与反向晶体管和反向二极管并联连接的正向晶体管和正向二极管，其中，控制器通过向相应的正向晶体管和反向晶体管提供开关信号而控制AC/AC开关变压器的双向开关布置。

根据一些实施例，控制器利用至少输入电压极性和输出电流极性来控制换流器。根据一些实施例，第一输入源是AC电源，且第二输入源是DC电源。根据一些实施例，与第二输入源关联的第二双向开关布置至少包括与第二输入源的正DC电压关联的正双向开关布置以及与第二输入源的负DC电压关联的负双向开关布置。根据一些实施例，第一和第二输入源是AC电源。

附图说明

在附图的图中通过示例而不是限制性的方式示出了本发明的实施例，其中相同的参考数字表示对应的、类似的或相似的元件，并且在附图中：

图1是现有技术的离线UPS布置的示意性框图；

图2是现有技术的在线互动式UPS布置的示意性框图；

图3是现有技术的双转换UPS布置的示意性框图；

图4是现有技术的增量转换UPS布置的示意性框图；

图5是根据本发明实施例的UPS布置的示意性框图；

图6和7示出了可与本发明的实施例一起使用的双向开关的实例；

图8是图6和7中所示的双向开关的操作模式的示意图，所述双向开关可与本发明的实施例一起使用；

图9A、9B和9C示出了可根据本发明的实施例使用的多输入开关拓扑结构电路；

图10示出了根据本发明实施例的控制***的示意性高电平框图；

图11示出了根据本发明实施例的控制器的示意性详细框图；

图12示出了脉冲宽度调制（PWM）定时图，其可用于解释与本发明实施例相关的双输入换流器的激励；

图13示出了根据本发明实施例的转换器拓扑结构的示意图，所述转换器拓扑结构用于基于输入电压和输入电流在象限区中进行输入开关操作。

图14示出了根据本发明实施例的转换器拓扑结构的示意图，所述转换器拓扑结构用于基于输出电压和输入电流在象限区中进行输出开关操作的；

图15A-15D示出了图表，所述图表示出了当在四个象限中操作时用于根据本发明实施例的双输入换流器中的每个开关的开关控制信号的值。

将会理解的是，为了简单和清楚地说明，图中所示的元件没有必要精确地或按比例绘制。例如，为清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大，或者多个物理部件可能被包括在一个功能块或元件中。此外，在认为合适的情况下，标号可能会在图中重复使用，以表示相应的或类似的元件。

具体实施方式

在下面的详细描述中，阐述了许多具体的细节，以便提供对本发明的透彻理解。但是，本领域技术人员应当理解的是，在没有这些具体细节的情况下也可以实施本发明。在其它情况下，未对公知方法、程序、以及部件、模块、单元和/或电路进行详细描述，以免使得本发明模糊。

尽管本发明的实施例不局限于此，但是使用诸如例如“处理”、“运算”、“计算”，“确定”、“建立”、“分析”、“检查”等术语进行的讨论可指代计算机、计算平台、计算***或其它电子计算设备的操作和/或过程，所述其它电子计算设备可将计算机的寄存器和/或存储器内表示为物理（例如，电子）量的数据处理和/或变换成与计算机的寄存器和/或存储器或其它信息非临时性存储介质内类似地表示为物理量的其它数据，所述其它信息非临时性存储介质可存储用于执行操作和/或处理的指令。

尽管本发明的实施例并不局限于此，但是本文所用的术语“多个”和“数个”可以包括，例如“许多”或“两个或更多个”。在整个说明书中，可以使用术语“多个”或“数个”来描述两个或更多个部件、装置、元件、单元、参数等。除非另有明确规定，否则本文所描述的方法实施例并不限制于特定的次序或顺序。此外，一些所描述的方法实施例或其要素可以同时、在同一时间点上、或者并发地发生或进行。

根据本发明实施例的UPS布置可以可靠地产生正弦输出波形，基本上与输入波形无关。根据本发明实施例的UPS布置可使用具有至少两个功率输入的开关变压器，从而在正常操作期间提供了高效率，同时阻断了由电网引入的多种功率质量问题。例如，根据本发明的实施例，可提供具有双输入开关变压器的UPS布置，所述双输入开关变压器从输入AC电源和电池接收输入功率。组合器模块可确定每个输入在总输出功率中的权重，如下所示：

Pwr_输出=P×Pwr _AC输入+(1-P)×Pwr_电池

其中，P是具有0和1之间的值的系数，其确定了功率比，Pwr _AC输入是从连接于输入AC电源的第一组合器输入提取的功率，并且Pwr_电池是从连接于电池的第二组合器输入提取的功率。

根据本发明实施例提供使用基于上述等式的组合器的输出功率可使得能够在***的各种操作模式（例如，AC、DC、和混合模式）中利用从电源到负载的单个转换路径。因此，本发明的实施例可表现出较高的可靠性、快速响应、以及有效的使用。

图5是根据本发明实施例的UPS布置500的示意性框图。根据本发明的实施例，功率换流器570可以接受至少两个功率输入（例如，AC干线功率505和电池功率520），并且通过组合功率输入而提供一个功率输出580，如本文所公开的。功率换流器570可包括两个模块：组合器540和AC/AC开关变压器550。在正常操作期间，例如，当AC干线功率提供了令人满意的振幅和波形时，功率比参数P被设置为1，并且组合器540可以基本上使用输入干线电压来对开关变压器550供电，如下面进一步详细描述的。并联地，充电器510对电池520充电，所述电池向组合器540供应第二DC输入，如下面进一步详细描述的。在正常操作状态中，组合器540基本上不从电池提取功率，或者可保持输出功率中的一小部分从电池供应（作为“保持存活（keep alive）”方法，以便检查DC路径），从而使电池保持充满电。锁相回路（PLL）560可以跟踪AC输入电压（V_in）的极性和相位（其可基于干线功率），以便通过与输入电压相同的相位向控制器530提供定时信号。控制器530可例如通过向组合器540和开关变压器550提供输入控制信号而控制换流器570。因此，例如，控制器530可使用来自于PLL560的定时信号来对组合器540定序，以便以与干线功率能量相同的频率和相位使用电池能量。

在电源中断期间，例如，当干线电源发生故障而不能提供功率时，控制器530可将功率比参数P设置为0，在这种情况下，所有的输出功率可从电池520提供。PLL560可被同步到由控制器530提供的外部同步信号。因此，在干线电源不工作时控制器530可控制定时参数，从而使得主控制器能够缓慢地改变频率，并且当输入电压恢复时、或者当在输入电压中出现新源电压时（例如，当切换到发电机电压操作时）重新调整同步。当没有同步源可用时，PLL560可保持最后的已知频率和相位。

组合器540可以使用输入电源中的一个或多个，以便提供用于AC/AC开关变压器550的正功率或负功率。根据本发明的实施例，组合器540可以使用电池的正部分来对正弦输出波形的正部分提供功率，并且使用电池的负部分来驱动正弦输出波形的负部分，从而作为虚拟的方波来激励组合器，所述方波被同步到由PLL560产生的定时指示。将会理解的是，在本发明的范围之内可使用合适的方波发生器电路，例如，用于将DC电压改变成方波，以便对AC/AC转换器输入提供功率。例如，在本发明的实施例中，组合器540可包括方波发生器，以便在正弦输出电压的正半部期间提供正电压，以及在正弦输出电压的负半部期间提供负电压。将认识到的是，可对上述基本结构进行改变，例如，以便获得所要求的特定性能特征。例如，当需要电压及频率独立（VFI）时，输入功率因数校正（PFC）可作为用于组合器的另一输入源被加入，以便使得频率能够在发电机工作期间变化。

在没有输入电压的情况下，PLL可被同步到由主控制器提供的外部同步信号。因此，当干线电源不工作时控制器可控制定时参数，以使得主控制器能够缓慢地改变频率，并且当输入电压恢复时、或者当在输入电压中出现“新”源电压时（例如，当切换到发电机电压操作时）重新调整同步。当没有同步源可用时，PLL560可保持最后的已知频率和相位。

根据本发明的实施例，换流器可包括多组组合器和开关变压器电路。例如，与单相***（该单相***可包括一组开关元件）相比，在三相***中，组合器540和开关变压器550电路可包含三组开关元件。同样地，在三相***中，PLL560可提供三对控制信号，每对控制信号相对于其它两对控制信号具有120°相移。应理解的是，在单相***中，通过使用全桥开关，可以在仅具有一个蓄电池组的情况下工作，以获得双极性方波输出。

换流器570可以在一个输入部（例如，来自于AC干线电源）处接受作为输入的AC输入电压以及在另一个输入部（例如，来自于电池）处接受DC输入电压，并基于此而输出具有所需参数的正弦输出电压。在本发明的一些实施例中，换流器570可以使用根据本发明实施例的降压-升压开关拓扑结构，以处理电感性和电容性负载（所述电感性和电容性负载在电压和电流波形之间产生相移）以及来自于负载的反射能量，使用开关结构和定时来激励开关元件，如本发明中所描述的。

本发明的实施例可以使用双极降压-升压开关拓扑结构电路来提供A/C电压变换比，所述A/C电压变换比基于由主控制器提供的控制信号通过脉冲宽度调制（PWM）计数器改变。根据这些实施方式的开关拓扑结构可提供处理具有小于或等于1的功率因数（PF）的负载以及反射能量的能力。应理解的是，已知其它合适的拓扑结构来提供类似的解决方案，并且所述其它合适的拓扑结构落在本发明的范围之内。此外，虽然本文参考了无变换器（非隔离）拓扑结构，但是将理解的是，所描述的电路可以变换成在输出部处具有同步整流的类似的完全隔离解决方案，例如，使用相同的定时方案和双极开关，如本文所述。

根据本发明的实施例，开关转换器的基本构建块可以是双向开关。根据本发明的实施例，双向开关可使用两个晶体管构造，例如，所述两个晶体管与二极管串联连接（图6）或并联连接（图7）。这种布置一般将导致开关的四种工作状态：开关可以如正常开关一样切断或接通，以及还可以在一个方向或另一方向上用作二极管。在图8中示意性地示出了四种工作状态。

参考图9A，其示出了多输入双向H桥降压-升压开关拓扑结构电路，该电路可以被用作根据本发明实施例中的AC/AC开关变压器。将理解的是，根据本发明的实施例，同样可以使用用于提供合适功能的其它电路，例如，其它降压-升压拓扑结构。

双向开关901、902、903、904、905、906、和907中的每一个均可以包括一对晶体管，所述晶体管可在图8中示意性地示出的操作模式下操作。当给予开关的控制信号为高的时，晶体管传导电流并允许电流流动，当给予开关的控制信号为低的时，晶体管不传导电流并且不允许电流流动。因此，每个双向开关可设计为接通/切断（on/off）开关，并且开关901、902、903、和904的选择可被用来选择一个或多个输入能量源。因此，换流器的该组合器部分可选择一个或多个输入能量源来单独地或组合地使用，以在节点910处产生所需的中间信号。

利用节点910处的中间信号，开关905、906、和907可以作为AC/AC开关变压器操作，以将中间信号变换成具有期望形式（例如，正弦形式）的AC输出信号。通过选择AC/AC开关变压器的适当开关的操作模式，控制器可确定是否是降压-升压功率部分的配置。

因此，如所描绘的，双向开关901和905作为用于作为能量源的Vin1的降压转换器（降压）操作；开关902和905作为用于作为能量源的Vin2的降压转换器操作；开关903和905作为用于作为能量源的Vin3的降压转换器操作；并且开关904和905作为对作为能量源的Vin4的降压转换器操作。应理解的是，在本实施例中，示出了四个能量源，以相对于与两个能量源中的每一个相关联的正能量源和负能量源来论述使用；但是，本发明并不局限于此，并且可使用多个电源。类似地，双向开关906和907可以作为用于输出的升压转换器（升压）操作。

为了将开关变压器作为降压转换器操作，双向开关907可被连续接通，并且双向开关906可被连续切断。为了简单起见，在下面的实例中，假设仅有一个能量源（Vin1）被连接，而其它源（Vin2、Vin3、Vin4）利用它们各自的开关（902、903、904）被断开。在这种布置中，双向开关901和905中的每一个均可以设置有互补的脉冲宽度调制（PWM）信号，具有被计算为用于使电压降压的占空比。因此，例如，如果信号的占空比是50％，则V_in1与V_out之间的AC电压转换比为0.5。将理解的是，提供给双向开关901的具有适当地大于50%的占空比的信号将导致V_in与V_out之间的电压转换比大于0.5，而提供给双向开关901的具有适当地小于50%的占空比的信号将导致V_in与V_out之间的电压转换比小于0.5。驱动双向开关901和905的脉冲宽度调制信号的占空比可以例如基于如下文中进一步详细描述的反馈回路由主控制器确定。

类似地，为了作为升压转换器操作开关变压器，双向开关901可被接通，且双向开关905可被切断。在该配置中，电感器908和电容器909可以被用作能量滤波器，而电阻器R966提供了待由控制器使用的开关电流的样本。这种电子变压器在共同未决的美国专利公开第2009/0153113号中被进一步详细地描述，所述美国专利已转让给本申请的受让人，其内容通过引用结合于本文。在该布置中，双向开关906和907可以分别被提供互补的脉冲宽度调制（PWM）信号，具有被计算为用于使电压升压的占空比。因此，例如，如果信号的占空比是50%，则V_in与V_out之间的AC电压转换比为2。驱动双向开关906和907的脉冲宽度调制信号的占空比可以例如基于如下文中进一步详细描述的反馈回路由主控制器确定。

参考图9B，其示出了输入开关902和903，所述输入开关分别连接于电池950的正导线951和负导线952以便使用能量源。

参考图9C，其是根据本发明实施例的双输入UPS换流器的示意图，其中一个输入是AC电压输入Vin1490，而另一输入是DC输入电压，其中电池电压1407被分成正输入1409和负输入1408。每个输入均可与双向开关相关联，所述双向开关可被控制以操作，以便在任一方向上传输功率，并且还用作续流二极管和箝位装置。

在所示的实施例中，每个双向开关均包括两个内部开关装置，每个内部开关装置均与一开关耦接：一个开关装置用于正方向（称为A），且一个开关装置用于反方向（被称为B）。因此，每个开关控制信号S可包括两个分量：用于控制正方向的SA以及用于控制反方向的SB。将认识到的是，每个双向开关均具有四种工作模式：“切断”模式，在这种模式下，正向开关装置和反向开关装置均被切断；“接通”模式，在这种模式下，正向开关装置和反向开关装置均被接通；“正向”模式，在这种模式下，仅正向开关装置被接通；和“反向”模式，在这种模式下，仅反向开关装置被接通。根据本发明的实施例，每个双向开关的操作模式可以根据以下两个独立参数确定：所需的电流方向、以及所需的电压极性，从而使得能够在所有四个象限中操作。下面进一步描述这些信号的产生。

如图9B所示，开关901（其由信号S1A和S1B控制）可以由双向开关布置1401实现，该双向开关布置可包括晶体管1411和1412以及二极管1413和1414；如图9B所示，开关902（其由信号S5pA和S5pB控制）可以由双向开关布置1406实现，该双向开关布置可包括晶体管1461和1462以及二极管1463和1464；如图9B所示，开关903（其由信号S5nA和S5nB控制）可以由双向开关布置1405实现，该双向开关布置可包括晶体管1451和1452以及二极管1453和1454；如图9B所示，开关905（其由信号S2A和S2B控制）可以由双向开关布置1402实现，该双向开关布置可包括晶体管1421和1422以及二极管1423和1424；如图9B所示，开关906（其由信号S3A和S3B控制）可由双向开关布置1403实现，该双向开关布置可包括晶体管1431和1432以及二极管1433和1434；如图9B所示，开关907（其由信号S4A和S5B控制）可由双向开关布置1404实现，该双向开关布置可包括晶体管1441和1442以及二极管1443和1444。

参考图10，其示出了根据本发明实施例的控制***的示意性框图。根据本发明的实施例，控制器1004可输出PWM信号，以控制降压-升压功率转换器1002的晶体管的操作，从而对于在输入部处的多种波形来说，可在输出滤波器1003处保持纯正弦波形。控制器可具有作为其输入的输入电压的振幅1006和极性1005、在降压-升压转换器1008的输出部处的采样电流极性、以及输出电压的极性1009和振幅1010。基于这些输入信号，控制器可以提供控制信号，以控制降压-升压转换器1008的开关，这可如上面例如在图9A或图9B中所描述的。此外，输入电压信号（例如，干线功率信号）可在由降压-升压转换器升压/降压之前通过一输入滤波器1001，并且输出电压信号可在被输出以供使用之前通过一输出滤波器1003。

参考图11，其示出了根据本发明实施例的控制器的内部设计。根据所示的实施例，控制器可包括由门逻辑单元实现的状态机，所述门逻辑单元具有控制输出的状态的输入。将认识到的是，控制器能够以任何适当的方式实现，例如，逻辑门、可编程微处理器等。如上所述，控制器可以接收左侧上示出的输入信号（例如，功率信号的振幅和极性信号），并且基于输入信号提供右侧上示出的输出信号，例如，用于控制功率开关转换器的开关的状态。根据本发明的实施例，控制器的逻辑可被设计成实现每个四分之一部的输入/输出关系，例如，如下面讨论的表1-4示出的。控制器可以使用输入信号，诸如输入电压、输入电压极性、电感电流（也称为开关信号电流）、电感器电流极性、和可选的输出电压（和/或它们的逻辑互补（logical complements，逻辑补码））。在本发明的一些实施例中，如果降压-升压延迟足够快，则不需要使用输出极性。可以使用输入源和输出电压的振幅作为对控制器的输入。此外，控制器可以使用作为输入的PWM信号Tonl、Ton2和FreeWheel（续流）定时信号。将认识到的是，图11的控制器示出了用于激励双输入换流器的输出信号，其中一个输入为DC，并且另一个输入是AC，例如，如在图9C中所示的。将认识到的是，其它实施例可以将类似的技术应用于任何类型的任意数量的输入。

参考图12，其示出了对于一输入信号（例如，Vin1）来说根据本发明实施例的用于驱动各个开关的PWM定时信号的产生。信号1505和1506可根据斜坡信号（ramp signal，斜波信号）1501和占空比阈值1502产生，以分别用作待连接于开关901和905的驱动信号及其互补信号。对于多个输入源操作（其中将发生输入源之间的能量混合），总接通时间1505可被划分在多个信号中。为了便于解释，下面的讨论涉及具有两个输入源Vin1和Vin2的实施例。

由于降压转换器和升压转换器均使用电感器作为存储元件，它们的信号序列是基于以下两个部分的：（a）Ton，其表示电感器的充电时间，在此充电时间期间，电感器的电流上升，而电感器接收来自于输入的能量；以及（b）续流（Freewheel）时间，其代表电感器的放电时间，在此放电时间期间，电感器电流降低，同时将能量转移到输出。

时间段Ton可分为几个子部分，其中在每一部分中，电感器电流可来自于不同的输入源。因此，例如，如图12中所示，时间Ton被划分成以下两个独立的信号：Tonl1507和Ton21508，每个信号代表与不同的能量源相关联的各自的开关的接通时间。将认识到的是，续流时间1506还可以在输入之间被细分，例如，在升压转换的情况下。因此，在Tonl期间，图9中的开关901可能会被激励以从Vin1取得能量，而在Ton2期间，图9的开关902可被激励以从Vin2源取得能量。

根据本发明的实施例，基于每个单独的信号源的振幅和输出电压的振幅，每个单独的时隙（Tonl或Ton2）可激励降压序列（例如，如果Vin1>Vout）或升压序列（例如，如果Vout<Vin)。因此，以下4种情况是可能的：（a）降压-降压，当两个输入均高于输出电压时；（b）降压-升压，当Vin>Vout以及Vdc（电池电压）<Vout时；（c）升压-降压，当Vin<Vout以及Vdc>Vout时；以及（d）升压-升压，当两个输入电压均低于输出电压时。因此，Tonl和Ton2之间的比率将定义与从第二源取得的能量相对的从一个源取得的能量，即：

其中P是能量比。此外，比率M用于确定传送到输出的能量总量、并从而被用于闭环控制回路中以调节输出电压，比率M可通过以下描述：

根据本发明的实施例中，时序算法还可以考虑通常存在于电网上的反射能量，并且还可以考虑具有cos(Φ)≠1的负载，即电感性负载和电容性负载。为了处理电流极性的变化，可使用定时电路，定时电路考虑到电压和电流两者的极性、以及所有输入和输出的振幅。应该指出的是，根据本发明的实施例，每个开关应该支持完全四象限的操作，其中开关电压及开关电流均可以在两个方向上工作。此外，根据本发明的实施例，每个开关应使得续流二极管能够操作，以便箝位负载反射能量。

参考图13和14，其示出了根据所使用的象限的开关状态。为了简单起见，图13示出了输入开关901（S1）、905（S2）和902/903（S5）的操作，其中假设降压操作模式，即，开关906（S3）始终是切断的，而开关907（S4）始终是接通的，而图14示出了输出开关S3和S4的四象限操作，其中，为了简单起见，示出了开关901（S1）被接通而开关905（S2）被切断。

在图13的原理图中，开关的状态呈现在四个“象限”中，每个象限均代表输入电压和输入电流的不同组合。象限由作为x轴的通过电感器的电感器电流（IL）和作为y轴的输入电压（Vin）描述。四个象限被标记为：Q11601，在该象限中，输入电压（Vin）和通过电感器的输入电流（IL）两者均是正的；Q21602，在该象限中，输入电压为正，且输入电流为负；Q31603，在该象限中，输入电压和输入电流两者均是负的；Q41604，在该象限中，输入电压为负的，且输入电流为正的。虽然下面描述了根据最小转换方案的用于每个开关的信号定时方案，但是应注意的是，在本发明的范围之内，其它更复杂的信号产生方案也是可以的。

当需要象限Q11601中的操作时，如果输入电压的绝对值大于电池电压的绝对值，则双向开关S1的晶体管B1611（即，S1B）可由Tonl信号施以脉冲，而双向开关S1的晶体管A可连续地接通。类似地，如果电池电压的绝对值高于输入电压的绝对值，则双向开关S5p1615的晶体管B将由Ton2信号施以脉冲，而双向开关S5p的晶体管A将连续地接通。如上所讨论的，Tonl和Ton2的相关脉冲宽度确定了从每个电源获得的功率的量。

当需要象限Q21602中的操作时，晶体管S1A1621和S5pA1625连续地操作，取决于输入具有比另一输入的绝对值更高的绝对值。开关S2B1622可以由续流时间1506的互补信号激励，而S2A可连续地接通。

当需要象限Q31603中的操作时，如果输入电压的绝对值大于电池电压的绝对值，则双向开关S1的晶体管A1631（即，S1A）可以由Tonl信号施以脉冲，而双向开关S1的晶体管B可连续地接通。类似地，如果电池电压的绝对值高于输入电压的绝对值，双向开关S5p1635的晶体管A将由Ton2信号施以脉冲，而双向开关S5p的晶体管B将连续地接通。

当需要象限Q41604中的操作时，晶体管S1B1641和S5pB1645连续地操作，取决于输入具有比另一输入的绝对值更高的绝对值。开关S2A1622可以由续流时间1506的互补信号激励，而S2A1642可以连续地接通。

参考图14，其描述了双向开关906（S3）和907（S4）的升压操作。象限由作为x轴的通过电感器的电感器电流（IL）以及作为y轴的输出电压（Vout）描述。为了简单起见，描述了来自于S11711的单个输入，而S11711处于“接通（on）”位置，且S21712处于“切断（off）”位置。但是，将理解的是，允许降压和升压操作的任意组合，以便对来自于图13和14的信号组合。

当需要象限Q11701中的操作时，开关S3的晶体管B（即S1B1713）可基于Ton定时被激励，而开关S3的晶体管A被连续地接通。同样地，双向开关S4的晶体管A被连续地接通。

当需要象限Q21702中的操作时，双向开关S3的晶体管A（即，S3A1723）被连续地接通，且双向开关S4的晶体管B（即，S4B1724）在续流时间段期间操作，而双向开关S4的晶体管A（即，S4A）被连续地接通。

当需要象限Q31703中的操作时，开关S3的晶体管A（即S1a1733）可基于Ton定时被激励，而开关S3的晶体管B被连续地接通。同样地，双向开关S4的晶体管B被连续地接通。

当需要象限Q41704中的操作时，双向开关S3的晶体管B（即，S3B1743）被连续地接通，且双向开关S4的晶体管A（即，S4B1744）在续流时间段期间操作，而双向开关S4的晶体管B（即，S4B）被连续地接通。

参考图15A-15D，其示出了用于开关S1、S2、S3、S4、S5p、和S5n的晶体管A和B的切换控制值，取决于四个操作象限Q1至Q4中的每一个所需的拓扑结构（即，降压-降压，降压-升压，升压-降压，或升压-升压）。控制器可被编程，以便基于上述的输入参数为所需的拓扑结构提供表1-4的所需开关控制输出。将认识到的是，虽然所有的开关都示出在同一表上，但是对于S1、S2和S5（其象限确定是基于如图13中所示的Vin和IL）以及S3和S4（其象限确定是基于如图14中所示的Vout和IL的）来说，象限检查可单独地进行。根据表，当存在Boolean（布尔逻辑）表达式时，在结果是“真”时开关将是“接通的”，而在结果是“假”时是“切断的”。信号名称顶部上的条表示那个信号的逻辑反转或逻辑互补。虽然表中示出了用于双输入操作的操作原理，其中输入中的一个为DC，且另一个是AC，将认识到的是，对于任何数量的输入，本发明的原理均可以用来实现本发明的实施例。根据表1-4的方案操作的控制器可使得能够与基本上任何AC负载一起工作，且具有吸收对于输入的反射能量的能力。将进一步指出的是，利用用于使开关位置的变化最小化的“最小变换”方案、以及与本文描述的原理一致的任何其它合适的操作方案，其它类似的定时也是可以的。

虽然已经示出和描述了本发明的某些特征，但是对于本领域技术人员来说，可具有多种修改、替换、改变和等同。因此，应当理解的是，所附的权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和改变。

Claims (10)

1.一种不可间断电源模块，包括：

换流器，适于至少接收来自于第一输入源的第一输入功率以及来自于第二输入源的第二输入功率，其中，上述输入源中的至少一个是AC输入，并且所述换流器适于提供输出AC电压，其中，所述换流器包括：电感器；双向输入开关和双向输出开关，所述双向输入开关和所述双向输出开关形成组合器，所述组合器用于组合所述第一输入功率和所述第二输入功率以提供中间信号；以及AC/AC开关变压器，用于将所述中间信号变换成所述输出AC电压；以及

控制器，适于对输入电压信号、电感器电流、以及输出电压信号进行采样，并且基于此而通过向所述双向输入开关和所述双向输出开关提供控制信号以便组合所述第一输入功率和所述第二输入功率以提供所述中间信号来控制所述换流器，并使得所述输出AC电压信号基本为正弦的，

其中，所述控制器被构造成基于所述输入电压信号的极性和所述电感器电流的极性向所述双向输入开关提供所述控制信号，并基于所述输出电压信号的极性和所述电感器电流的极性向所述双向输出开关提供所述控制信号。

2.根据权利要求1所述的模块，其中，所述换流器的所述双向输入开关和所述双向输出开关具有至少四种操作模式，所述操作模式包括接通模式、切断模式、正向模式、以及反向模式。

3.根据权利要求2所述的模块，其中，所述换流器的所述双向输入开关中的每一个至少包括与反向晶体管和反向二极管并联连接的正向晶体管和正向二极管，其中，所述控制器通过向相应的正向晶体管和反向晶体管提供开关信号以选择相应的双向开关的所需操作模式而控制所述换流器的所述双向输入开关。

4.根据权利要求1所述的模块，其中，所述AC/AC开关变压器包括降压-升压功率部分，所述降压-升压功率部分包括所述电感器和多个双向开关。

5.根据权利要求1所述的模块，其中，所述换流器的所述双向输出开关中的每一个至少包括与反向晶体管和反向二极管并联连接的正向晶体管和正向二极管，其中，所述控制器通过向相应的正向晶体管和反向晶体管提供开关信号而控制所述换流器的所述双向输出开关。

6.根据权利要求1所述的模块，其中，所述第一输入源是AC电源，且所述第二输入源是DC电源。

7.根据权利要求6所述的模块，其中，所述双向输入开关包括与所述第二输入源关联的第二双向开关布置，所述第二双向开关布置包括与所述第二输入源的正DC电压关联的正双向开关布置以及与所述第二输入源的负DC电压关联的负双向开关布置。

8.根据权利要求1所述的模块，其中，所述第一输入源和所述第二输入源是AC电源。

9.一种不可间断电源(UPS)装置，包括模块，所述模块包括：

换流器，适于至少接收来自于第一输入源的第一输入功率以及来自于第二输入源的第二输入功率，其中，上述输入源中的至少一个是AC输入，并且所述换流器适于提供输出AC电压，其中，所述换流器包括：电感器；双向输入开关和双向输出开关，所述双向输入开关和所述双向输出开关形成组合器，所述组合器用于组合所述第一输入功率和所述第二输入功率以提供中间信号；以及AC/AC开关变压器，用于将所述中间信号变换成所述输出AC电压；以及

控制器，适于对输入电压信号、电感器电流、以及输出电压信号进行采样，并且基于此而通过向所述双向输入开关和所述双向输出开关提供控制信号以便组合所述第一输入功率和所述第二输入功率以提供所述中间信号来控制所述换流器，并使得所述输出AC电压信号基本为正弦的，

其中，所述控制器被构造成基于所述输入电压信号的极性和所述电感器电流的极性向所述双向输入开关提供所述控制信号，并基于所述输出电压信号的极性和所述电感器电流的极性向所述双向输出开关提供所述控制信号。

10.一种使用模块来利用多个输入电源提供基本上正弦的AC功率信号的方法，所述方法包括：

提供换流器，所述换流器适于至少接收来自于第一输入源的第一输入功率以及来自于第二输入源的第二输入功率，其中，上述输入源中的至少一个是AC输入，并且所述换流器适于提供输出AC电压，其中，所述换流器包括：电感器；双向输入开关和双向输出开关，所述双向输入开关和所述双向输出开关形成组合器，所述组合器用于组合所述第一输入功率和所述第二输入功率以提供中间信号；以及AC/AC开关变压器，用于将所述中间信号变换成所述输出AC电压；以及

提供控制器，所述控制器适于对输入电压信号、电感器电流、以及输出电压信号进行采样，并且基于此而通过向所述双向输入开关和所述双向输出开关提供控制信号以便组合所述第一输入功率和第二输入功率以提供所述中间信号来控制所述换流器，并使得所述输出AC电压信号基本为正弦的，

其中，所述控制器被构造成基于所述输入电压信号的极性和所述电感器电流的极性向所述双向输入开关提供所述控制信号，并基于所述输出电压信号的极性和所述电感器电流的极性向所述双向输出开关提供所述控制信号。