CN107809131A - 不间断电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不间断电源，包括依次连接在所述不间断电源的输入端和输出端之间的PFC电路、第一电容、第二电容和逆变器，所述PFC电路包括电感和AC/DC变换模块，其中，不间断电源还包括充电器电路，所述充电器电路的输入端连接至所述电感与所述AC/DC变换模块之间的节点和参考地，所述AC/DC变换模块的输出端连接至所述第一电容和所述第二电容彼此连接构成的电路的两端并且连接至所述逆变器的输入端，所述第一电容和所述第二电容之间的节点连接至参考地。本发明的不间断电源重复利用了PFC电路，节约了成本，提高了效率。

Description

不间断电源
技术领域
本发明属于开关电源领域，尤其涉及一种不间断电源。
背景技术
不间断电源(UPS)是一种向负载提供不间断、优质、可靠的交流电能，并具有实时保护和监测监控供电状态功能的供电设备，对改善供电质量、保证设备正常运行有着重要的作用。
充电器是UPS的重要组件。当市电输入正常时，充电器给电池存储电能，而当市电中断时，UPS立即切换至电池模式继续运行。根据UPS功率等级，电池电压可以在较大的范围内变化，不同的充电器拓扑用于满足不同的设计需求。
图1为现有技术的一个UPS电路拓扑，其中，充电器的输入端直接连接至市电输入端，在这种情况下，充电器电路未进行功率因子校正，因此输入功率因子(PF)非常低，导致整个UPS电路的总谐波失真(THD)性能和电磁兼容(EMC)性能较差，特别当充电器功率较大时，供电网谐波污染较为严重。因此，如果需要功率较大的充电器，必须在充电器拓扑中增加另外的功率因子校正(PFC)电路，这无疑会提高成本并增加电路的复杂度。
图2为现有技术的另一个UPS电路拓扑，其中，充电器的输入端连接至DC母线(AC/DC转换器的输出)，在这种情况下，充电器电路经历功率因子校正，充电器容量不影响诸如PF、THD、和EMC的输入特性。但是一般来说，DC母线具有三条线，正DC母线、中性线和负DC母线。DC母线电压大于市电峰值电压的两倍，对于不同功率等级的UPS，它不具有宽的可变范围。另外，出于成本的考虑，一般电池串接个数不多，电池电压相对于DC母线电压而言非常低，当采用降压电路用作充电器时，如果DC母线用作充电器输入，那么降压电路的效率非常低。此外，如果采用DC母线的一半(即正DC母线或负DC母线)用作充电器输入，会使得DC母线失衡。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种不间断电源，包括依次连接在不间断电源的输入端和输出端之间的PFC电路、第一电容、第二电容和逆变器，所述PFC电路包括电感和AC/DC变换模块，其中，不间断电源还包括充电器电路，所述充电器电路的输入端连接至所述电感与所述AC/DC变换模块之间的节点和参考地，所述AC/DC变换模块的输出端连接至所述第一电容和所述第二电容彼此连接构成的电路的两端并且连接至所述逆变器的输入端，所述第一电容和所述第二电容之间的节点连接至参考地。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述AC/DC变换模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一开关管和第二开关管，其中，所述第四二极管的负极连接至所述第三二极管的正极，所述第三二极管的负极连接至所述第一二极管的正极，所述第一二极管的负极连接至所述第二二极管的正极，所述第一开关管的源极连接至所述第二开关管的漏极，所述第一开关管的漏极连接至所述第一二极管和所述第二二极管之间的节点，所述第二开关管的源极连接至所述第三二极管和所述第四二极管之间的节点，所述第一开关管和所述第二开关管之间的节点连接至参考地，所述第二二极管的负极和所述第四二极管的正极分别连接至所述AC/DC变换模块的正DC输出端和负DC输出端。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述AC/DC变换模块包括第一可控硅、第二可控硅、第二二极管、第四二极管、第一开关管和第二开关管，其中，所述第四二极管的负极连接至所述第二可控硅的阳极，所述第二可控硅的阴极连接至所述第一可控硅的阳极，所述第一可控硅的阴极连接至所述第二二极管的正极，所述第一开关管的源极连接至所述第二开关管的漏极，所述第一开关管的漏极连接至所述第一可控硅和所述第二二极管之间的节点，所述第二开关管的源极连接至所述第二可控硅和所述第四二极管之间的节点，所述第一开关管和所述第二开关管之间的节点连接至参考地，所述第二二极管的负极和所述第四二极管的正极分别连接至所述AC/DC变换模块的正DC输出端和负DC输出端。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述AC/DC变换模块是I型三电平电路。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述I型三电平电路包括依次连接的第二开关管和第三开关管，依次连接的第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，以及依次连接的第五二极管和第六二极管，所述第二开关管的源极和漏极分别连接至所述第二二极管的正极和负极，所述第三开关管的源极和漏极分别连接至所述第三二极管的正极和负极，所述第五二极管的负极连接至所述第一二极管的正极，所述第六二极管的正极连接至所述第三二极管的正极，所述第五二极管和所述第六二极管之间的节点连接至参考地，所述第一二极管的负极和所述第四二极管的正极分别连接至所述AC/DC变换模块的正DC输出端和负DC输出端。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述I型三电平电路还包括第一开关管和第四开关管，所述第一开关管的源极和漏极分别连接至所述第一二极管的正极和负极，所述四开关管的源极和漏极分别连接至所述第四二极管的正极和负极。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述AC/DC变换模块是T型三电平电路。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述T型三电平电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管以及第三开关管和第四开关管，所述第一二极管的正极连接至所述第二二极管的负极，所述第三二极管的正极连接至所述第四二极管的正极，所述第三二极管的负极连接至所述第一二极管和所述第二二极管之间的节点，所述第四二极管的负极连接至参考地，所述第三开关管的源极和漏极分别连接至所述第三二极管的正极和负极，所述第四开关管的源极和漏极分别连接至所述第四二极管的正极和负极，所述第一二极管的负极和所述第二二极管的正极分别连接至所述AC/DC变换模块的正DC输出端和负DC输出端。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述T型三电平电路还包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的源极和漏极分别连接至所述第一二极管的正极和负极，所述第二开关管的源极和漏极分别连接至所述第二二极管的正极和负极。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述充电器电路包括整流器、第三电容和DC/DC转换器，所述整流器、所述第三电容和所述DC/DC转换器相互并联。
根据本发明的不间断电源，优选地，各个开关管可以为绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
在本发明的不间断电源中，充电器电路和主功率电路共用PFC线路，实现了充电器的功率因素校正功能，降低了成本，并通过全桥整流设计，将两个总线(BUS)电压降为一个总线电压，降低了充电器的输入电压，提高了充电的效率。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为现有技术的一个UPS的电路结构示意图；
图2为现有技术的另一个UPS的电路结构示意图；
图3为根据本发明的第一实施例的UPS的电路结构示意图；
图4示出当市电输入为正、第一开关管Q1导通时，图3所示的UPS中的电流环路；
图5示出当市电输入为正、第一开关管Q1断开时，图3所示的UPS中的电流环路；
图6示出当市电输入为负、第二开关管Q2导通时，图3所示的UPS中的电流环路；
图7示出当市电输入为负、第二开关管Q2断开时，图3所示的UPS中的电流环路；
图8为根据本发明的第二实施例的UPS的电路结构示意图；
图9示出当市电输入为正、第三开关管Q3导通时，图8所示的UPS中的电流环路；
图10示出当市电输入为正、第三开关管Q3断开时，图8所示的UPS中的电流环路；
图11示出当市电输入为负、第二开关管Q2导通时，图8所示的UPS中的电流环路；
图12示出当市电输入为负、第二开关管Q2断开时，图8所示的UPS中的电流环路；
图13为根据本发明的第三实施例的UPS的电路结构示意图；
图14示出当市电输入为正、第三开关管Q3导通时，图13所示的UPS中的电流环路；
图15示出当市电输入为正、第三开关管Q3断开时，图13所示的UPS中的电流环路；
图16示出当市电输入为负、第四开关管Q4导通时，图13所示的UPS中的电流环路；
图17示出当市电输入为负、第四开关管Q4断开时，图13所示的UPS中的电流环路。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
图3为根据本发明的第一实施例的UPS的电路结构示意图。该UPS包括充电器电路、电池、PFC电路、第一电容C1、第二电容C2、以及逆变器。充电器电路包括整流器REC、第三电容C3和DC/DC转换器，REC、第三电容C3和DC/DC转换器相互并联。PFC电路包括电感L1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管Q1和第二开关管Q2，为了便于说明，在本发明中，将PFC电路中除去电感L1的剩余部分称为AC/DC变换模块，电感L1的输出端连接至AC/DC变换模块的输入端。其中，第四二极管D4的负极连接至第三二极管D3的正极，第三二极管D3的负极连接至第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极连接至第二二极管D2的正极，第一开关管Q1的漏极连接至第二开关管Q2的源极，第一开关管Q1的源极连接至第一二极管D1和第二二极管D2之间的节点，第二开关管Q2的漏极连接至第三二极管D3和第四二极管D4之间的节点，第一二极管D1和第三二极管D3之间的节点连接至电感L1的输出端，第二二极管D2的负极和第四二极管D4的正极分别连接至第一电容C1和第二电容C2构成的串联电路的两端并且连接至逆变器的输入端。充电器电路的输入端连接至所述电感L1与所述AC/DC变换模块之间的节点和参考地，充电器电路的输出端连接至电池的输入端，用于给电池充电。PFC电路的输入端即电感L1的输入端连接至市电输入端。第一电容C1和第二电容C2之间的节点以及第一开关管Q1和第二开关管Q2之间的节点连接至参考地。逆变器的输出端连接至负载。
下面参照图4-7对图3的充电器拓扑的工作方式进行描述。
当市电输入为正时：
第一开关管Q1导通时，电流环路1是市电输入—>L1—>D1—>Q1—>参考地，PFC的电感L1存储能量，如图4所示。
第一开关管Q1断开时，电流有两个环路2和3。电流环路2是市电输入—>L1—>D1—>D2—>C1—>参考地；电流环路3是市电输入—>L1—>REC—>C3—>REC—>参考地，如图5所示。电流环路2给第一电容C1充电，而电流环路3经由REC给第三电容C3充电，继而通过DC/DC转换器给电池充电。
当市电输入为负时：
第二开关管Q2导通时，电流环路4是参考地—>Q2—>D3—>L1—>市电输入，PFC电路的电感L1存储能量，如图6所示。
第二开关管Q2断开时，电流有两个环路5和6。电流环路5是参考地—>C2—>D4—>D3—>L1—>市电输入；电流环路6是参考地—>REC—>C3—>REC—>L1—>市电输入，如图7所示。电流环路5给第二电容C2充电，而电流环路6经由REC给第三电容C3充电，继而通过DC/DC转换器给电池充电。
在本实施例的UPS拓扑中，充电器电路的输入端连接至PFC电路的电感L1的输出端，实现了充电器的PFC校正，并且使C3的电压始终为单个DC总线电容(C1或C2)的电压。
在该第一实施例的UPS中，第一二极管D1和第三二极管D3可以分别由第一可控硅SCR1和第二可控硅SCR2来替代，附图未示出该情况。
第二实施例
图8为根据本发明的第二实施例的充电器拓扑的电路结构示意图。其包括充电器电路、电池、PFC电路、第一电容C1、第二电容C2、以及逆变器。充电器电路包括整流器REC、电容C3和DC/DC转换器，REC、第三电容C3和DC/DC转换器相互并联。PFC电路包括电感L1、第一至第六二极管D1-D6、第一至第四开关管Q1-Q4。第一至第六二极管D1-D6以及第一至第四开关管Q1-Q4构成典型的I型三电平电路，在本发明中称为AC/DC变换模块。其中，第一至第四开关管Q1-Q4依次连接，第一至第四二极管D1-D4依次连接，第五和第六二极管D5和D6依次连接，并且第一至第四开关管Q1-Q4的源极和漏极分别连接至第一至第四二极管D1-D4的正极和负极，第五二极管D5的负极连接至第一二极管D1的正极，第六二极管D6的正极连接至第三二极管D3的正极，第五二极管D5和第六二极管D6之间的节点连接至参考地。电感L1的输出端连接至AC/DC变换模块的输入端。充电器电路的输入端连接至所述电感L1与AC/DC变换模块之间的节点和参考地，充电器电路的输出端连接至电池的输入端，用于给电池充电。PFC电路的输入端连接至市电输入，其输出DC母线的正极和负极分别连接至第一电容C1和第二电容C2构成的串联电路的两端，并且连接至逆变器的输入端。逆变器的输出端连接至负载。
下面参照图9-12对图8的充电器拓扑的工作方式进行描述。
当市电输入为正时：
第三开关管Q3导通时，电流环路1是市电输入—>L1—>Q3—>D6—>参考地，PFC的电感L1存储能量，如图9所示。
第三开关Q3断开时，电流有两个环路2和3。电流环路2是市电输入—>L1—>D2—>D1—>C1—>参考地；电流环路3是市电输入—>L1—>REC—>C3—>REC—>参考地，如图10所示。电流环路2给第一电容C1充电，而电流环路3经由REC给第三电容C3充电，继而通过DC/DC转换器给电池充电。
当市电输入为负时：
第二开关管Q2导通时，电流环路4是参考地—>D5—>Q2—>L1—>市电输入，PFC的电感L1存储能量，如图11所示。
第二开关管Q2断开时，电流有两个环路5和6。电流环路5是参考地—>C2—>D4—>D3—>L1—>市电输入，电流环路6是参考地—>REC—>C3—>REC—>L1—>市电输入，如图12所示。电流环路5给第二电容C2充电，而电流环路6经由REC给第三电容C3充电，继而通过DC/DC转换器给电池充电。
在该第二实施例的UPS拓扑中，充电器电路的输入端连接至PFC电路的电感L1的输出端，实现了充电器的PFC校正，并且使C3的电压始终为单个DC总线电容(C1或C2)的电压。
在该第二实施例的UPS中，第一开关管Q1和第四开关管Q4可以去除，附图未示出该情况。
第三实施例
图13为根据本发明的第三实施例的充电器拓扑的电路结构示意图。其包括充电器电路、电池、PFC电路、第一电容C1、第二电容C2、以及逆变器。充电器电路包括相互并联的整流器REC、电容C3和DC/DC转换器。PFC电路包括电感L1、第一至第四二极管D1-D4、第一至第四开关管Q1-Q4。第一至第四二极管D1-D4以及第一至第四开关管Q1-Q4构成典型的T型三电平电路，在本发明中称为AC/DC变换模块。其中，第一二极管D1的正极连接至第二开关管D2的负极，第三二极管D3的正极连接至第四二极管D4的正极，第三二极管D3的负极连接至第一二极管D1和第二二极管D2之间的节点，第四二极管D4的负极连接至参考地，第一至第四开关管Q1-Q4的源极和漏极分别连接至第一至第四二极管D1-D4的正极和负极。电感L1的输出端连接至AC/DC变换模块的输入端。充电器电路的输入端连接至所述电感L1与AC/DC变换模块之间的节点和参考地，充电器电路的输出端连接至电池的输入端，用于给电池充电。PFC电路的输入端连接至市电输入，其输出DC母线的正极和负极分别连接至第一电容C1和第二电容C2构成的串联电路的两端，并且连接至逆变器的输入端。逆变器的输出端连接至负载。
下面参照图14-17对图13的充电器拓扑的工作方式进行描述。
当市电输入为正时：
第三开关管Q3导通时，电流环路1是市电输入—>L1—>Q3—>D4—>参考地，PFC电感器L1存储能量，如图14所示。
第三开关管Q3断开时，电流有两个环路2和3。电流环路2是市电输入—>L1—>D1—>C1—>参考地，电流环路3是市电输入—>L1—>REC—>C3—>REC—>参考地，如图15所示。电流环路2给第一电容C1充电，而电流环路3经由REC给第三电容C3充电，继而通过DC/DC转换器给电池充电。
当市电输入为负时：
第四开关管Q4导通时，电流环路4是参考地—>Q4—>D3—>L1—>市电输入，PFC的电感L1存储能量，如图16所示。
第四开关管Q4断开时，电流有两个环路5和6。电流环路5是参考地—>C2—>D2—>L1—>市电输入，电流环路6是参考地—>REC—>C3—>REC—>L1—>市电输入，如图17所示。电流环路5给第二电容C2充电，而电流环路6经由REC给第三电容C3充电，继而通过DC/DC转换器给电池充电。
在该第三实施例的UPS拓扑中，充电器电路的输入端连接至PFC电路的电感L1的输出端，实现了充电器的PFC校正，并且使C3的电压始终为单个DC总线电容(C1或C2)的电压。
另外，在该第三实施例的UPS中，第一开关管Q1和第二开关管Q2可以去除，附图未示出该情况。
根据本发明的其他实施例，本发明的UPS仅要求充电器电路的输入端连接至PFC电路中的电感的输出端，而不限定PFC电路的具体结构。
根据本发明的其他实施例，本发明的UPS不限定充电器电路的具体结构。
根据本发明的其他实施例，开关管可以采用本领域公知的开关器件，例如绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
本发明的UPS重复利用了PFC电路，节约了成本。另外，UPS的充电器电路的输入电压是DC母线电压的一半，提高了充电效率，并且不会使DC母线失衡，能够适应特定的电池电压范围。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种不间断电源，包括依次连接在所述不间断电源的输入端和输出端之间的PFC电路、第一电容、第二电容和逆变器，所述PFC电路包括电感和AC/DC变换模块，其中，所述不间断电源还包括充电器电路，所述充电器电路的输入端连接至所述电感与所述AC/DC变换模块之间的节点和参考地，所述AC/DC变换模块的输出端连接至所述第一电容和所述第二电容彼此连接构成的电路的两端并且连接至所述逆变器的输入端，所述第一电容和所述第二电容之间的节点连接至参考地。
2.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述AC/DC变换模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一开关管和第二开关管，其中，所述第四二极管的负极连接至所述第三二极管的正极，所述第三二极管的负极连接至所述第一二极管的正极，所述第一二极管的负极连接至所述第二二极管的正极，所述第一开关管的源极连接至所述第二开关管的漏极，所述第一开关管的漏极连接至所述第一二极管和所述第二二极管之间的节点，所述第二开关管的源极连接至所述第三二极管和所述第四二极管之间的节点，所述第一开关管和所述第二开关管之间的节点连接至参考地，所述第二二极管的负极和所述第四二极管的正极分别连接至所述AC/DC变换模块的正DC输出端和负DC输出端。
3.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述AC/DC变换模块包括第一可控硅、第二可控硅、第二二极管、第四二极管、第一开关管和第二开关管，其中，所述第四二极管的负极连接至所述第二可控硅的阳极，所述第二可控硅的阴极连接至所述第一可控硅的阳极，所述第一可控硅的阴极连接至所述第二二极管的正极，所述第一开关管的源极连接至所述第二开关管的漏极，所述第一开关管的漏极连接至所述第一可控硅和所述第二二极管之间的节点，所述第二开关管的源极连接至所述第二可控硅和所述第四二极管之间的节点，所述第一开关管和所述第二开关管之间的节点连接至参考地，所述第二二极管的负极和所述第四二极管的正极分别连接至所述AC/DC变换模块的正DC输出端和负DC输出端。
4.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述AC/DC变换模块是I型三电平电路。
5.根据权利要求4所述的不间断电源，其中，所述I型三电平电路包括依次连接的第二开关管和第三开关管，依次连接的第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，以及依次连接的第五二极管和第六二极管，所述第二开关管的源极和漏极分别连接至所述第二二极管的正极和负极，所述第三开关管的源极和漏极分别连接至所述第三二极管的正极和负极，所述第五二极管的负极连接至所述第一二极管的正极，所述第六二极管的正极连接至所述第三二极管的正极，所述第五二极管和所述第六二极管之间的节点连接至参考地，所述第一二极管的负极和所述第四二极管的正极分别连接至所述AC/DC变换模块的正DC输出端和负DC输出端。
6.根据权利要求5所述的不间断电源，其中，所述I型三电平电路还包括第一开关管和第四开关管，所述第一开关管的源极和漏极分别连接至所述第一二极管的正极和负极，所述四开关管的源极和漏极分别连接至所述第四二极管的正极和负极。
7.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述AC/DC变换模块是T型三电平电路。
8.根据权利要求7所述的不间断电源，其中，所述T型三电平电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管以及第三开关管和第四开关管，所述第一二极管的正极连接至所述第二二极管的负极，所述第三二极管的正极连接至所述第四二极管的正极，所述第三二极管的负极连接至所述第一二极管和所述第二二极管之间的节点，所述第四二极管的负极连接至参考地，所述第三开关管的源极和漏极分别连接至所述第三二极管的正极和负极，所述第四开关管的源极和漏极分别连接至所述第四二极管的正极和负极，所述第一二极管的负极和所述第二二极管的正极分别连接至所述AC/DC变换模块的正DC输出端和负DC输出端。
9.根据权利要求8所述的不间断电源，其中，所述T型三电平电路还包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的源极和漏极分别连接至所述第一二极管的正极和负极，所述第二开关管的源极和漏极分别连接至所述第二二极管的正极和负极。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的不间断电源，其中，所述充电器电路包括整流器、第三电容和DC/DC转换器，所述整流器、所述第三电容和所述DC/DC转换器相互并联。
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