CN107546836B - 一种ups电源 - Google Patents

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Abstract

一种UPS电源***，包括：滤波模块，所述滤波模块连接市电以对输入市电进行滤波；BOOST模块，所述BOOST模块的第一端经第一开关组连接所述滤波模块，且经第二开关组连接电池，所述BOOST模块的第二端连接正负母线；双向DC/DC模块，所述双向DC/DC模块的第一端连接所述电池，所述双向DC/DC模块的第二端连接所述正负母线；在电池供电模式，当输出功率小于第一功率时，所述双向DC/DC模块单独放电，当输出功率大于所述第一功率且小于第二功率时，所述BOOST模块单独放电，当输出功率大于所述第二功率时，所述双向DC/DC模块和所述BOOST模块同时放电。实施本发明，可以降低开关损耗，提高效率。

Description

一种UPS电源
技术领域
本发明涉及不间断电源领域，更具体地说，涉及一种UPS电源。
背景技术
现有的UPS电源，要么采用DC/DC变换器完成充电和放电过程，要么复用整流器的BOOST电路放电和双BUCK电路充电，从而以向负载提供输出电压。然而，当UPS电源只采用DC/DC变换器放电时，为了满足负载要求，一般放电功率较大，开关损耗较大。并且DC-DC变换器的体积较大，成本较高。同时，整个UPS电源的器件利用率和***功率密度均不高。当UPS电源采用复用整流器的BOOST电路放电时，又无法保证市电模式和电池模式下均能够高效运行，且存在间断切换时对母线电容要求高等问题。
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缺陷，提供一种既能够有效降低开关损耗、提高***效率，又可以完成市电和电池的不间断切换，不需母线单独支撑负载的UPS电源***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种UPS电源***，包括：
滤波模块，所述滤波模块连接市电以对输入市电进行滤波；
BOOST模块，所述BOOST模块的第一端经第一开关组连接所述滤波模块，且经第二开关组连接电池，所述BOOST模块的第二端连接正负母线；
双向DC/DC模块，所述双向DC/DC模块的第一端连接所述电池，所述双向DC/DC模块的第二端连接所述正负母线；
在电池供电模式，当输出功率小于第一功率时，所述双向DC/DC模块单独放电，当输出功率大于所述第一功率且小于第二功率时，所述BOOST模块单独放电，当输出功率大于所述第二功率时，所述双向DC/DC模块和所述BOOST模块同时放电。
在本发明所述的UPS电源***中，所述BOOST模块包括：第一电感、第二电感、第三电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管，其中所述第一电感的第一端连接所述第一开关组的第一端、第二端连接所述第一二极管的阳极、第四二极管的阴极和所述第一开关管的第一端，所述第二电感的第一端连接所述第一开关组的第二端、第二端连接所述第二二极管的阳极、第五二极管的阴极和所述第二开关管的第一端，所述第三电感的第一端连接所述第一开关组的第三端、第二端连接所述第三二极管的阳极、第六二极管的阴极和所述第三开关管的第一端，所述第一二极管的阴极、所述第二二极管的阴极、所述第三二极管的阴极连接正母线，所述第四二极管的阳极、所述第五二极管的阳极、所述第六二极管的阳极连接负母线，所述第一开关管的第二端连接所述第四开关管的第二端，所述第二开关管的第二端连接所述第五开关管的第二端，所述第三开关管的第二端连接所述第六开关管的第二端，所述第四开关管的第一端、所述第五开关管的第一端和所述第六开关管的第一端接地，所述第一开关管的第三端、所述第二开关管的第三端、所述第三开关管的第三端、所述第四开关管的第三端、所述第五开关管的第三端和所述第六开关管的第三端连接控制信号。
在本发明所述的UPS电源***中，所述BOOST模块还包括：第一电容和第二电容，所述第一电容的第一端连接正母线、第二端接地，所述第二电容的第一端连接负母线、第二端接地。
在本发明所述的UPS电源***中，所述双向DC/DC模块包括第七开关管、第八开关管、第四电感和第三电容，所述第三电容的第一端连接电池正极、第二端连接电池负极，所述第四电感的第一端连接电池正极、第二端连接所述第七开关管的第二端和第八开关管的第一端，所述第七开关管的第一端连接正母线，所述第八开关管的第二端连接负母线，所述第七开关管的第三端和所述第八开关管的第三端连接控制信号。
在本发明所述的UPS电源***中，所述双向DC/DC模块还包括第九开关管、第十开关管、第五电感，所述第九开关管的第一端连接正母线、第二端连接所述第十开关管的第一端，所述第十开关管的第二端连接负母线，所述第五电感的第一端连接电池正极、第二端连接所述第九开关管的第二端和第十开关管的第一端，所述第九开关管的第三端和所述第十开关管的第三端连接控制信号。
在本发明所述的UPS电源***中，所述双向DC/DC模块还包括第四电容，所述第四电容的第一端连接正母线、第二端连接负母线。
在本发明所述的UPS电源***中，所述第一开关组包括第一开关、第二开关和第三开关，所述第一开关的第一端连接所述第一开关组的第一端、所述第二开关的第一端连接所述第一开关组的第二端、所述第三开关的第一端连接所述第一开关组的第三端，所述第一开关的第二端连接所述滤波模块的第一输出端、所述第二开关的第二端连接所述滤波模块的第二输出端、所述第三开关的第二端连接所述滤波模块的第三输出端。
在本发明所述的UPS电源***中，所述第二开关组包括第一双向开关和第二双向开关，所述第一双向开关的第一端连接电池正极、第二端连接所述第一开关组的第一端，所述第二双向开关的第一端连接电池负极、第二端连接所述第一开关组的第二端或第三端。
在本发明所述的UPS电源***中，所述第一双向开关和第二双向开关分别包括反向并联的两个晶闸管。
在本发明所述的UPS电源***中，所述滤波模块包括第六电感、第七电感、第八电感、第五电容、第六电容和第七电容，所述第六电感连接在市电的第一输入端和所述第一开关组的第四端之间，所述第七电感连接在市电的第二输入端和所述第一开关组的第五端之间，所述第八电感连接在市电的第三输入端和所述第一开关组的第六端之间，所述第五电容连接到所述第一开关组的第四端和地之间，所述第六电容连接到所述第一开关组的第五端和地之间，所述第七电容连接到所述第一开关组的第六端和地之间。
实施本发明的UPS电源***，由于在低功率输出时，仅采用双向DC/DC模块放电供电，在较高功率输出时采用BOOST模块放电供电，而在最高功率输出时采用两者共同放电供电，不但可以降低开关损耗，提高效率，还可以完成市电和电池的不间断切换，不需母线单独支撑负载。
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是本发明的UPS电源的第一实施例的原理框图；
图2是本发明的UPS电源的市电和电池切换时的供电示意图；
图3是本发明的UPS电源的第二实施例的电路原理图；
图4是本发明的UPS电源的第三实施例的电路原理图。
具体实施方式
图1是本发明的UPS电源的第一实施例的原理框图。如图1所示，本发明的UPS电源包括滤波模块100、BOOST模块200、双向DC/DC模块300、第一开关组400和第二开关组500。所述滤波模块100连接市电以对输入市电进行滤波。所述BOOST模块200的第一端分别经第一开关组400连接所述滤波模块100，经第二开关组500连接电池。所述BOOST模块200的第二端连接正负母线。所述双向DC/DC模块300的第一端连接所述电池，第二端连接所述正负母线。
在本发明中，所述滤波模块100可以采用现有技术中任何已知的滤波电路、滤波模块构建，例如LC滤波电路、LCL滤波电路等。所述BOOST模块200模块可以采用现有技术中任何已知的BOOST电路、BOOST模块构建。所述双向DC/DC模块300为双向DC/DC模块，其可以采用现有技术中任何已知的DC/DC转换器构建。所述第一开关组400包括分别与滤波模块和BOOST模块相连的一个或多个开关器件，从而控制滤波模块和BOOST模块之间的通断连接。所述第二开关组500可包括分别与电池和BOOST模块相连的一个或多个开关器件，从而控制电池和BOOST模块之间的通断连接。
在市电正常时，采用市电供电模式，市电经滤波模块100滤波后，提供给BOOST模块200。所述BOOST模块200对输入电压进行升压调节之后，将电压输出给负载以向负载供电。
当市电掉电时，采用电池供电模式，电池电量经所述双向DC/DC模块300和/或所述BOOST模块200供电。在此，双向DC/DC模块300的功率容量为C KW，而所述BOOST模块200的功率容量为B KW，其中C<B。当输出功率小于(或小于等于)C KW时，所述双向DC/DC模块单独放电，当输出功率大于C KW且小于(或小于等于)B KW，所述BOOST模块单独放电，当输出功率大于(或大于等于)B KW时，所述双向DC/DC模块和所述BOOST模块同时放电。
由于当输出功率小于C KW时，可以由双向DC/DC模块300单独供电，当输出功率大于C KW，小于B KW时，可以由所述BOOST模块200单独供电，当输出功率大于B KW时，所述BOOST模块200和双向DC/DC模块300一起供电。由此可以降低放电器的损耗。另外，C KW以下输出功率时，可以实现连续的功率输入(power walk-in)，可以大大缩短切换间断时间，甚至可以完全没有间断时间，减少了切换过程对母线电容的需求。双向DC/DC模块300结构简单、成本低、效率高且可靠性高，可以实现boost放电功能和buck充电功能。
图2是本发明的UPS电源的市电和电池切换时的供电示意图。参见图2，图中阶段1为市电掉电确认时间；阶段2为第一开关组的开关器件从接收到断开信号到彻底断开的时间，此为开关关断延迟；阶段3为第一开关组的开关器件关断到第二开关组的开关器件完全闭合的时间，此为切换间断时间。在现有技术中，这段时间里，负载由母线电容支撑；阶段4为BOOST模块驱动信号延迟时间；阶段5为市电恢复确认时间；阶段6为BOOST模块PWM驱动停止到第二开关组的开关器件最终断开的时间，阶段7为BOOST模块停止放电到第一开关组的开关最终开通的间断时间。在原有技术中，这段时间里，负载由母线电容支撑；阶段8为BOOST模块驱动信号延迟时间；阶段9为市电和双向DC/DC模块300联合供电时间。
从图2中可以看出，若按照现有技术进行电池放电，那么在市电和电池的切换过程中，存在一段间断时间，这段时间里，需要母线电容供电，因此对母线电容要求较高。但是如果采用本发明的UPS电源的，BOOST模块200和双向DC/DC模块300并联放电方案，双向DC/DC模块300可以在市电掉电后迅速开始工作，开始电池供电，在市电恢复后，可以在第一开关组完全开通后停止工作，这样，可以大大减小只有母线为负载供电的时间，降低对母线电容的需求。此外，本发明的BOOST模块200和双向DC/DC模块300并联放电方案可以没有可控硅结构，因此电池模式效率较高，解决了开关管损耗高的问题。
在本发明的优选实施例可以将双向DC/DC模块300设计成具有2倍左右的过载能力，保证在绝大部分工况下切换放电模式时不会产生冲击电流，保证母线电压稳定。
图3是本发明的UPS电源的第二实施例的电路原理图。如图3所示，本发明的UPS电源包括滤波模块100、BOOST模块200、双向DC/DC模块300、第一开关组400和第二开关组500。
如图3所示，所述BOOST模块包括：电感L1、电感L2、电感L3、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电容C1和电容C2。所述双向DC/DC模块包括开关管Q7、开关管Q8、电感L4、电容C3和电容C4。所述第一开关组包括开关S1、开关S2和开关S3，所述第二开关组包括开关S4和开关S5，所述滤波模块包括电感L6、电感L7、电感L8、电容C5、电容C6和电容C7。在本实施例中，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6均为IGBT管。在本发明的其他实施例中，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6可以采用其他开关管，例如MOS管等等。本发明不受到开关管的种类的限制。
如图3所示，所述电感L6连接市电的第一输入端A和第一开关S1的第一端，所述电感L7连接市电的第二输入端B和第二开关S2的第一端，所述电感L8连接市电的第三输入端C和所述第三开关S3的第一端，所述电容C5连接到所述第一开关S1的第一端和地之间，所述电容C6连接到第二开关S2的第一端和地之间，所述电容C7连接到所述第三开关S3的第一端和地之间。
所述电感L1的第一端连接所述第一开关S1的第二端、第二端连接所述二极管D1的阳极、二极管D4的阴极和所述IGBT管Q1的集电极。所述电感L2的第一端连接所述第二开关S2的第二端、第二端连接所述二极管D2的阳极、二极管D5的阴极和所述IGBT管Q2的集电极。所述电感L3的第一端连接所述第三开关S3的第二端、第二端连接所述二极管D3的阳极、二极管D6的阴极和所述IGBT管Q3的集电极。所述二极管D1的阴极、所述二极管D2的阴极、所述二极管D3的阴极连接正母线+bus。所述二极管D4的阳极、所述二极管D5的阳极、所述二极管D6的阳极连接负母线-bus，所述IGBT管Q1的发射极连接所述IGBT管Q4的发射极，所述IGBT管Q2的发射极连接所述IGBT管Q5的发射极，所述IGBT管Q3的发射极连接所述IGBT管Q6的发射极，所述IGBT管Q4的集电极、所述IGBT管Q5的集电极和所述IGBT管Q6的集电极接地，所述IGBT管Q1的栅极、所述IGBT管Q2的栅极、所述IGBT管Q3的栅极、所述IGBT管Q4的栅极、所述IGBT管Q5的栅极和所述IGBT管Q6的栅极连接控制信号。所述电容C1的正极连接正母线+bus、负极接地，所述电容C2的负极连接负母线-bus、正极接地。所述电容C3的正极连接电池正极+bat、负极连接电池负极-bat。所述电感L4的第一端连接电池正极+bat、第二端连接所述IGBT管Q7的发射极和IGBT管Q8的集电极。所述IGBT管Q7的集电极连接正母线+bus，所述IGBT管Q8的发射极连接负母线-bus。所述IGBT管Q7的栅极和所述IGBT管Q8的栅极连接控制信号。所述电容C4的第一端连接正母线+bus、第二端连接负母线-bus。
所述第一双向开关S4的一端接电池正极+bat、第二端连接所述开关S1的第二端，所述第二双向开关S5的一端接电池负极-bat、第二端连接所述开关S2的第二端。所述第一双向开关S4和所述第二双向开关S5分别包括反向并联的两个晶闸管。在本发明的其他实施例中，所述第一双向开关S4和所述第二双向开关S5可以连接其他开关，只要接入三相中的两相即可。
在图3所示的实施例中，当主路市电供电时，即开关S1-S3闭合，市电经滤波模块100滤波之后，输入到BOOST模块200，由BOOST模块200完成高效电力转换。当电池供电时，由BOOST模块200承担大部分负载，由双向DC/DC模块300承担小部分负载，两者的具体比例可根据需求调整。
例如，双向DC/DC模块300的功率容量为C KW，而所述BOOST模块200的功率容量为BKW，其中C<B。当输出功率小于(或小于等于)C KW时，所述双向DC/DC模块单独放电，当输出功率大于C KW且小于(或小于等于)B KW，所述BOOST模块单独放电，当输出功率大于(或大于等于)B KW时，所述双向DC/DC模块和所述BOOST模块同时放电。由此可以降低放电器的损耗。另外，C KW以下负载时，可以实现连续的功率驶入，可以大大缩短切换间断时间，甚至可以完全没有间断时间，减少了切换过程对母线电容的需求。
因此，与要么采用DC/DC变换器完成充电和放电过程，要么复用整流器的BOOST电路放电和双BUCK电路充电相比，本发明的UPS电源的所述BOOST模块200和双向DC/DC模块300的并联放电模式，采用的功率器件减少，且没有N线，因此损耗明显降低，效率提高，且成本变化不大。
在本发明的简化实施例中，电容C4可以省略。在本发明的其他优选实施例中，电池可以经第一双向开关S4和第二双向开关S5连接到三相市电输入的任何两相。所述开关S1-S3可以采用任何已知的开关器件，比如继电器、晶闸管等等。
图4是本发明的UPS电源的第三实施例的电路原理图。如图4所示，本发明的UPS电源包括滤波模块100、BOOST模块200、双向DC/DC模块300、第一开关组400和第二开关组500。图4所示的实施例与图3所示的实施例基本相同，其区别仅在于双向DC/DC模块300的构造。在此仅对其区别进行详细描述如下。
所述双向DC/DC模块包括开关管Q7、开关管Q8、电感L4、电容C3、电容C4、开关管Q9、开关管Q10、电感L5。所述电容C3的正极连接电池正极+bat、负极连接电池负极-bat。所述电感L4的第一端连接电池正极+bat、第二端连接所述IGBT管Q7的发射极和IGBT管Q8的集电极。所述IGBT管Q7的集电极连接正母线+bus，所述IGBT管Q8的发射极连接负母线-bus。所述IGBT管Q7的栅极和所述IGBT管Q8的栅极连接控制信号。所述电容C4的第一端连接正母线+bus、第二端连接负母线-bus。所述开关管Q9的集电极连接正母线+bus、发射极连接所述开关管Q10的集电极，所述开关管Q10的发射极连接负母线-bus，所述电感L5的第一端连接电池正极+bat、第二端连接所述开关管Q9的发射极和开关管Q10的集电极，所述开关管Q9的栅极和所述开关管Q10的栅极连接控制信号。
在图4所示的实施例中，所述双向DC/DC模块为交错并联的半桥DC/DC变换器，而交错并联结构可以有效消除电流谐波，提高变换效率。图4所示的实施例的工作原理与图2-3类似，在此就不再累述了。
虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (9)

1.一种UPS电源***，其特征在于，包括：
滤波模块，所述滤波模块连接市电以对输入市电进行滤波；
BOOST模块，所述BOOST模块的第一端经第一开关组连接所述滤波模块，且经第二开关组连接电池，所述BOOST模块的第二端连接正负母线；
双向DC/DC模块，所述双向DC/DC模块的第一端连接所述电池，所述双向DC/DC模块的第二端连接所述正负母线；
在电池供电模式，当输出功率小于或小于等于所述双向DC/DC模块的功率时，所述双向DC/DC模块单独放电，当输出功率大于所述双向DC/DC模块的功率且小于或小于等于所述BOOST模块的功率时，所述BOOST模块单独放电，当输出功率大于所述BOOST模块的功率时，所述双向DC/DC模块和所述BOOST模块同时放电；所述BOOST模块包括：第一电感、第二电感、第三电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管，其中所述第一电感的第一端连接所述第一开关组的第一端、第二端连接所述第一二极管的阳极、第四二极管的阴极和所述第一开关管的第一端，所述第二电感的第一端连接所述第一开关组的第二端、第二端连接所述第二二极管的阳极、第五二极管的阴极和所述第二开关管的第一端，所述第三电感的第一端连接所述第一开关组的第三端、第二端连接所述第三二极管的阳极、第六二极管的阴极和所述第三开关管的第一端，所述第一二极管的阴极、所述第二二极管的阴极、所述第三二极管的阴极连接正母线，所述第四二极管的阳极、所述第五二极管的阳极、所述第六二极管的阳极连接负母线，所述第一开关管的第二端连接所述第四开关管的第二端，所述第二开关管的第二端连接所述第五开关管的第二端，所述第三开关管的第二端连接所述第六开关管的第二端，所述第四开关管的第一端、所述第五开关管的第一端和所述第六开关管的第一端接地，所述第一开关管的第三端、所述第二开关管的第三端、所述第三开关管的第三端、所述第四开关管的第三端、所述第五开关管的第三端和所述第六开关管的第三端连接控制信号。
2.根据权利要求1所述的UPS电源***，其特征在于，所述BOOST模块还包括：第一电容和第二电容，所述第一电容的第一端连接正母线、第二端接地，所述第二电容的第一端连接负母线、第二端接地。
3.根据权利要求1或2所述的UPS电源***，其特征在于，所述双向DC/DC模块包括第七开关管、第八开关管、第四电感和第三电容，所述第三电容的第一端连接电池正极、第二端连接电池负极，所述第四电感的第一端连接电池正极、第二端连接所述第七开关管的第二端和第八开关管的第一端，所述第七开关管的第一端连接正母线，所述第八开关管的第二端连接负母线，所述第七开关管的第三端和所述第八开关管的第三端连接控制信号。
4.根据权利要求3所述的UPS电源***，其特征在于，所述双向DC/DC模块还包括第九开关管、第十开关管、第五电感，所述第九开关管的第一端连接正母线、第二端连接所述第十开关管的第一端，所述第十开关管的第二端连接负母线，所述第五电感的第一端连接电池正极、第二端连接所述第九开关管的第二端和第十开关管的第一端，所述第九开关管的第三端和所述第十开关管的第三端连接控制信号。
5.根据权利要求4所述的UPS电源***，其特征在于，所述双向DC/DC模块还包括第四电容，所述第四电容的第一端连接正母线、第二端连接负母线。
6.根据权利要求3所述的UPS电源***，其特征在于，所述第一开关组包括第一开关、第二开关和第三开关，所述第一开关的第一端连接所述第一开关组的第一端、所述第二开关的第一端连接所述第一开关组的第二端、所述第三开关的第一端连接所述第一开关组的第三端，所述第一开关的第二端连接所述滤波模块的第一输出端、所述第二开关的第二端连接所述滤波模块的第二输出端、所述第三开关的第二端连接所述滤波模块的第三输出端。
7.根据权利要求3所述的UPS电源***，其特征在于，所述第二开关组包括第一双向开关和第二双向开关，所述第一双向开关的第一端连接电池正极、第二端连接所述第一开关组的第一端，所述第二双向开关的第一端连接电池负极、第二端连接所述第一开关组的第二端或第三端。
8.根据权利要求7所述的UPS电源***，其特征在于，所述第一双向开关和第二双向开关分别包括反向并联的两个晶闸管。
9.根据权利要求3所述的UPS电源***，其特征在于，所述滤波模块包括第六电感、第七电感、第八电感、第五电容、第六电容和第七电容，所述第六电感连接在市电的第一输入端和所述第一开关组的第四端之间，所述第七电感连接在市电的第二输入端和所述第一开关组的第五端之间，所述第八电感连接在市电的第三输入端和所述第一开关组的第六端之间，所述第五电容连接到所述第一开关组的第四端和地之间，所述第六电容连接到所述第一开关组的第五端和地之间，所述第七电容连接到所述第一开关组的第六端和地之间。
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