CN108808833A - 一种ups电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种UPS电路，包括充电电池和变压器，其特征在于，所述UPS电路还包括，连接于所述变压器原边和所述充电电池之间的充电单元和放电单元，以及连接与所述变压器副边和市电之间的可控双向导电装置；在采用所述充电电池供电时，控制所述放电单元将所述充电电池提供的直流电通过所述放电单元和所述变压器逆变为交流电，以及控制所述可控双向导电装置将所述逆变的交流电通过所述可控双向导电装置输出，为负载供电；在采用市电供电时，控制可控双向导电装置将市电提供的交流电通过所述可控双向导电装置、所述变压器和所述充电单元整流为直流电为所述充电电池充电。
Description
技术领域
本发明涉及供电电源领域，具体涉及一种UPS电路。
背景技术
UPS(Uninterruptible Power System，不间断电源)是一种含有储能装置的交流电源。主要利用电池等储能装置在停电时向负载提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时UPS的储能装置为充电状态；当市电中断(事故停电)时，UPS立即利用储能装置的电能向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作并保护负载不受损坏。
传统UPS电路中的充电和逆变环节一般采用独立设置，如图1a所示，这种方式电路复杂，且成本较高。随着UPS的不断发展演变，出现了将充电和逆变融为一体的拓扑结构，例如中国专利公开号CN101976871公开了一种UPS电路。图1b示出了该UPS的电路图，如图1b所示，该电路采用了DC/DC复用电路来配合整流电路和逆变电路实现充电和放电的一体化功能，但这种电路的器件很多，成本仍不够低廉。
因此，目前需要一种既能节省成本又能保证效率的UPS电路。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种UPS电路，包括充电电池和变压器，其中，所述UPS电路还包括，连接于所述变压器原边和所述充电电池之间的充电单元和放电单元，以及连接于所述变压器副边和市电之间的可控双向导电装置；
在采用所述充电电池供电时，控制所述放电单元将所述充电电池提供的直流电通过所述放电单元和所述变压器逆变为交流电，以及控制所述可控双向导电装置将所述逆变的交流电通过所述可控双向导电装置输出，为负载供电；
在采用市电供电时，控制可控双向导电装置将市电提供的交流电通过所述可控双向导电装置、所述变压器和所述充电单元整流为直流电为所述充电电池充电。
优选的，所述可控双向导电装置包括可同向互补导通的两组可控双向开关。
优选的，所述两组可控双向开关包括由两个反向串联连接的开关S1、开关S2组成的第一组双向开关以及由两个反向串联连接的开关S3、开关S4组成的第二组双向开关，其中，所述开关S1、S2、S3和S4均是具有反并联二极管或寄生二极管的IGBT或MOSFET。
优选的，在采用市电供电时，根据市电电压的正负，控制所述第一组双向开关之一和所述第二组双向开关之一互补导通。
优选的，在采用市电供电且供电电压为正半周时，控制所述开关S1和所述开关S4互补导通；在采用市电供电且供电电压为负半周时，控制所述开关S2和所述开关S3互补导通。
优选的，所述放电单元包括可控单向导电装置。
优选的，所述可控单向导电装置包括两个并联的开关MOS1和开关MOS2，所述开关MOS1和所述开关MOS2是具有反并联二极管或寄生二极管的IGBT或MOSFET。
优选的，在采用所述充电电池供电时，根据需要输出到负载的电压的正负，控制所述开关MOS1和所述开关MOS2互补导通。
优选的，在采用所述充电电池供电时，根据需要输出到负载的电压的正负，控制所述第一组双向开关之一和所述第二组双向开关之一互补导通。
优选的，在采用电池供电且需要输出到负载的电压为正半周时，控制所述开关S2和所述开关S3互补导通；在采用电池供电且需要输出到负载的电压为负半周时，控制所述开关S1和所述开关S4互补导通。
优选的，所述两组可控双向开关包括两个并联连接的可控单向开关，所述可控单向开关是具有同向串联二极管的IGBT或MOSFET。
优选的，所述充电单元包括整流电路。
优选的，所述整流电路是由四个二极管组成的全桥整流电路。
优选的，所述UPS电路还包括第一组滤波电路，其中，所述第一组滤波电路连接于负载与所述可控双向导电装置之间。
优选的，所述UPS电路还包括第二组滤波电路，所述第二组滤波电路连接于所述充电电池与所述整流电路之间。
优选的，所述UPS电路还包括用于切换供电方式的一个或多个可控开关。
优选的，所述可控开关是单刀双掷开关。
根据本发明的另一方面，还提供一种UPS电源装置，该装置包括如上所述的UPS电路。
本发明提供的UPS电路，利用PWM控制逻辑，采用较少的器件完美解决了一般UPS双向转换电路的变压器匝数比设计冲突问题，在保证效率的同时大幅度节省了成本。
附图说明
图1a和图1b是现有技术中的UPS电路图。
图2根据本发明的UPS电路的优选实施例的电路图。
图3a-图3c是图2的UPS电路的市电供电方式且市电输出为正半周电压时的三种模态。
图4a-图4c是图2的UPS电路的市电供电方式且市电输出为负半周电压时的三种模态。
图5a-图5c是图2的UPS电路的电池供电方式且输出到负载的为正半周电压时的三种模态。
图6a-图6c是图2的UPS电路的电池供电方式且输出到负载的为负半周电压时的三种模态。
图7是根据本发明的UPS电路的另一实施例的电路图。
图8是根据本发明UPS电路的第二组开关30的另一实施例的电路图
图9是包含图9的第二组开关30的UPS电路的电路图
图10a-图10b是根据本发明UPS电路的其他实施例的电路图
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。
图2是根据本发明的一个优选实施例的UPS电路的电路图，如图2所示，包括充电电池70、整流电路10、第一组开关20、隔离变压器50、第二组开关30及第一组滤波电路60。其中，连接于隔离变压器50一侧的整流电路10和第一组开关20分别是用于充电电池70的充电单元和放电单元，并通过连接于充电电池70的可控开关S0进行切换；连接于隔离变压器50另一侧的第二组开关30为可控双向导电装置；第一组滤波电路60为LC滤波电路。第一组开关20与第二组开关30均采用PWM控制。
为便于说明，以下将包括端子1、端子2和中心抽头3的隔离变压器50的绕组侧设定称为隔离变压器50的原边；将包括端子4、端子5和中心抽头6的隔离变压器50的绕组侧设定称为隔离变压器50的副边；按功率传递方向，将隔离变压器50输入功率的绕组侧称为一次侧；将隔离变压器50输出功率的绕组侧称为二次侧。
其中，整流电路10包括由四个二极管组成的整流桥。整流桥的输入正端I+连接至隔离变压器50原边的端子1，整流桥的输入负端I-连接至隔离变压器50原边的端子2，整流桥的输出正端O+通过开关S0连接至充电电池70的正极，整流桥的输出负端O-连接至充电电池70的负极。其中，开关S0为单刀双掷开关，还可用于将充电电池70的正极连接至隔离变压器的中心抽头3。
第一组开关20包括两个并联的金氧半场效晶体管(MOSFET)MOS1、MOS2，与充电电池70以及隔离变压器50组成了常规的推挽逆变电路。其中，MOS1的漏极连接于隔离变压器50原边的端子1，MOS2的漏极连接于隔离变压器50原边的端子2，并且MOS1和MOS2各自的源极和漏极之间分别反向并联了二极管，此处的二极管可以是独立的二极管，也可以是相应的MOSFET的寄生二极管。
第二组开关30是对称的两组可控双向开关，包括四个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)S1、S2、S3、S4以及分别反并联于该四个IGBT的四个二极管D11、D21、D31、D41。其中，二极管D11、D21、D31、D41可以是独立的二极管，也可以是相应的IGBT的寄生二极管。每组可控双向开关包括两个反向串联连接的IGBT，即S1(含D11)、S2(含D21)反向串联为第一组双向开关，S3(含D31)、S4(含D41)反向串联为第二组双向开关。其中，第一组双向开关的一端连接于隔离变压器50副边的端子4，另一端通过LC滤波电路连接于负载R的正极和市电U的正极；第二组双向开关的一端连接于隔离变压器50副边的端子5，另一端通过LC滤波电路连接于负载R的正极和市电U的正极，另外，隔离变压器50副边的中心抽头6连接于负载R的负极和市电U的负极。
图3a-图3c是图2的优选实施例的UPS电路在采用市电供电方式且市电输出为正半周时的三种模态，此时，控制开关S0使充电电池70的正极与整流电路10的输出正极O+连接，与隔离变压器50的中心抽头3断开；同时，PWM控制第一组开关20的MOS1和MOS2全部关断。
如图3a所示，PWM控制S1(含D11)和S2(含D21)组成的可控双向开关向左导通，即S1闭合，S2断开或闭合；同时控制S3(含D31)和S4(含D41)组成的可控双向开关向左截止，即S3断开或闭合，S4断开。此时，隔离变压器50的副边作为一次侧沿图中箭头所示方向形成回路，即市电U正极-L-D21-S1-端子4-中心抽头6-市电U负极。经隔离变压器50耦合，隔离变压器50的原边作为二次侧沿图中箭头所示方向形成充电回路，即端子1-整流桥输入正端I+-整流桥输出正端O+-充电电池70正极-充电电池70的负极-整流桥输出负端O--整流桥输入负端I--端子2。
如图3b所示，在PWM控制的两组可控双向开关进行切换时，由于开关管的非理想性会导致延时的出现。其中，S1(含D11)和S2(含D21)组成的可控双向开关向左导通，即S1闭合，S2断开或闭合；同时S3(含D31)和S4(含D41)组成的可控双向开关向左导通，即S3断开或闭合，S4闭合。此时，在隔离变压器50的副边作为一次侧沿图中箭头所示方向形成两条回路，即市电U正极-L-D21-S1-端子4-中心抽头6-市电U负极，以及市电U正极-L-S4-D31-端子5-中心抽头6-市电U负极。经隔离变压器50耦合，隔离变压器50的原边作为二次侧不形成回路。
如图3c所示，PWM控制S1(含D11)和S2(含D21)组成的可控双向开关向左截止，即S1断开，S2断开或闭合；同时控制S3(含D31)和S4(含D41)组成的可控双向开关向左导通，即S3断开或闭合，S4闭合。此时，隔离变压器50的副边作为一次侧沿图中箭头所示方向形成回路，即市电U正极-L-S4-D31-端子5-中心抽头6-市电U负极。经隔离变压器50耦合，隔离变压器50的原边作为二次侧沿图中箭头所示方向形成充电回路，即端子2-整流桥输入负端I--整流桥输出正端O+-充电电池70正极-充电电池70的负极-整流桥输出负端O--整流桥输入正端I+-端子1。
图4a-图4c是图2的优选实施例的UPS电路在市电供电方式且市电输出为负半周时的三种模态，此时，控制开关S0使充电电池70的正极与整流电路10的输出正极O+连接，与隔离变压器50的中心抽头3断开；同时，PWM控制第一组开关20的MOS1和MOS2全部关断。
如图4a所示，PWM控制S1(含D11)和S2(含D21)组成的可控双向开关向右导通，即S1断开或闭合，S2闭合；同时控制S3(含D31)和S4(含D41)组成的可控双向开关向右截止，即S3断开，S4断开或闭合。此时，隔离变压器50的副边作为一次侧沿图中箭头所示方向形成回路，即市电U负极-中心抽头6-端子4-D11-S2-L-市电U正极。经隔离变压器50耦合，隔离变压器50的原边作为二次侧沿图中箭头所示方向形成充电回路，与图3c相同，此处不再赘述。
如图4b所示，在PWM控制的两组可控双向开关进行切换时，由于开关管的非理想性会导致延时的出现。其中，S1(含D11)和S2(含D21)组成的可控双向开关向右导通，即S1断开或闭合，S2闭合；同时S3(含D31)和S4(含D41)组成的可控双向开关向右导通，即S3断开或闭合，S4闭合。此时，在隔离变压器50的副边作为一次侧沿图中箭头所示方向形成两条回路，即市电U负极-中心抽头6-端子4-D11-S2-L-市电U正极，以及市电U负极-中心抽头6-端子5-S3-D41-L-市电U正极。经隔离变压器50耦合，隔离变压器50的原边作为二次侧不形成回路。
如图4c所示，PWM控制S1(含D11)和S2(含D21)组成的可控双向开关向右截止，即S1断开或闭合，S2断开；同时控制S3(含D31)和S4(含D41)组成的可控双向开关向右导通，即S3断开或闭合，S4闭合。此时，隔离变压器50的副边作为一次侧沿图中箭头所示方向形成回路，即市电U负极-中心抽头6-端子5-S3-D41-L-市电U正极。经隔离变压器50耦合，隔离变压器50的原边作为二次侧沿图中箭头所示方向形成充电回路，与图3a相同，此处不再赘述。
如图3a-图3c和图4a-图4c所示的隔离变压器50原边(即作为输出功率的二次侧)的充电回路，本领域的技术人员可知，为了实现在市电供电时对充电电池70的充电，需要设计隔离变压器50原边端子1和端子2之间绕组的匝数满足一定条件，即端子1和端子2之间的电压的最大值大于充电电池70的电压；此时根据上述隔离变压器50的工作回路可知，该隔离变压器50的电压比，由其原边端子1和端子2之间的匝数和其副边端子4与中心抽头6之间的匝数的匝数比决定，或由其原边端子1和端子2之间的匝数和其副边端子5与中心抽头6之间的匝数的匝数比决定。
图5a-图5c是图2的优选实施例的UPS电路在电池供电方式且输出到负载的为正半周电压时的三种模态。此时，控制开关S0使充电电池70的正极与整流电路10的输出正极O+断开，与隔离变压器50的中心抽头3连接。
如图5a所示，PWM控制MOS1闭合，MOS2断开，S1(含D11)和S2(含D21)组成的可控双向开关向右导通，即S1断开或闭合，S2闭合；同时控制S3(含D31)和S4(含D41)组成的可控双向开关向右截止，即S3断开，S4断开或闭合。此时，隔离变压器50的原边作为一次侧沿图中箭头所示方向形成回路(为常规推挽逆变电路，此处不再赘述)，隔离变压器50的副边作为二次侧沿图中箭头所示方向形成回路，即端子4-D11-S2-L-输出正极-输出负极-中心抽头6。
如图5b所示，在PWM控制MOS1和MOS2切换以及可控双向开关切换时，由于MOS1和MOS2切换会有dead-time，此时，隔离变压器50原边作为一次侧不产生回路；隔离变压器50副边作为二次侧因L电感续流，会产生如图5a所示相同回路。
如图5c所示，PWM控制MOS1断开，MOS2闭合，S1(含D11)和S2(含D21)组成的可控双向开关向右截止，即S1断开或闭合，S2断开；同时控制S3(含D31)和S4(含D41)组成的可控双向开关向右导通，即S3闭合，S4断开或闭合。此时，隔离变压器50的原边作为一次侧沿图中箭头所示方向形成回路(为常规推挽逆变电路，此处不再赘述)，隔离变压器50的副边作为二次侧沿图中箭头所示方向形成回路，即端子5-S3-D41-L-输出正极-输出负极-中心抽头6。
图6a-图6c是图2的优选实施例的UPS电路在电池供电方式且输出到负载的为负半周电压时的三种模态。此时，控制开关S0使充电电池70的正极与整流电路10的输出正极O+断开，与隔离变压器50的中心抽头3连接。
如图6a所示，PWM控制MOS1闭合，MOS2断开，S1(含D11)和S2(含D21)组成的可控双向开关向左截止，即S1断开，S2断开或闭合；同时控制S3(含D31)和S4(含D41)组成的可控双向开关向左导通，即S3断开或闭合，S4闭合。此时，隔离变压器50的原边作为一次侧沿图中箭头所示方向形成回路(为常规推挽逆变器，此处不再赘述)，隔离变压器50的副边作为二次侧沿图中箭头所示方向形成回路，即中心抽头6-输出负极-输出正极-L-S4-D31-端子5。
如图6b所示，在PWM控制MOS1和MOS2切换以及可控双向开关切换时，由于MOS1和MOS2切换会有dead-time，此时，隔离变压器50原边作为一次侧不产生回路；隔离变压器50副边作为二次侧因L电感续流，会产生如图6a所示相同回路。
如图6c所示，PWM控制MOS1断开，MOS2闭合，S1(含D11)和S2(含D21)组成的可控双向开关向左导通，即S1闭合，S2断开或闭合；同时控制S3(含D31)和S4(含D41)组成的可控双向开关向左截止，即S3断开或闭合，S4断开。此时，隔离变压器50的原边作为一次侧沿图中箭头所示方向形成回路(为常规推挽逆变器，此处不再赘述)，隔离变压器50的副边作为二次侧沿图中箭头所示方向形成回路，即中心抽头6-输出负极-输出正极-L-D21-S1-端子1。
如图5a-图5c和图6a-图6c所示的隔离变压器50副边(即作为输出功率的二次侧)的升压回路，本领域的技术人员可知，当采用电池供电时，该隔离变压器50的电压比，由其原边的端子1/端子2与中心抽头3之间的匝数，和其副边的端子4/端子5与中心抽头6之间的匝数的匝数比决定。
图7是根据本发明的UPS电路的另一实施例的电路图，其与图2基本相同，区别在于，所述UPS电路还包括与整流电路10及充电电池70正极相连的第二组滤波电路40，从而使得整流电路10输出的直流电更加平稳，以便更好的对充电电池70进行充电。例如，该滤波电路40可以为串联电感或并联电容，如图7所示的优选电路中，该滤波电路40为一串联电感。
在本发明的其它实施例中，上述第二组开关20还可以是其它具有可控双向导电功能的装置，例如，具有反并联二极管或寄生二极管的MOSFET替换上述IGBT所构成的可控双向开关，或由两个带有同向串联二极管的MOSFET/IGBT并联而成的可控双向开关。例如，如图8和图9所示的可控双向开关以及由其组成的优选UPS电路。
在本发明的其他实施例中，可以使用其他方式实现市电供电方式或充电电池供电方式的切换。例如，图10a和图10b是根据本发明UPS电路的其他实施例的电路图。
如图10a所示，使用开关S10、S20、S30替换图2中的开关S0。其中，S10连接于隔离变压器50的端子1与整流电路10的输入正极I+之间；S20连接于隔离变压器50的端子2与整流电路10的输入负极I-之间；S30连接于隔离变压器50的中心抽头3与充电电池70的正极之间。在S10与S20断开，且S30闭合时，上述UPS电路处于充电电池供电方式；在S10与S20闭合，且S30断开时，上述UPS电路处于市电供电方式。
如图10b所示，使用开关S40、S50替换图2中的开关S0。其中，开关S40连接于整流电路10的输出正极O+与充电电池70的正极之间；开关S50连接于充电电池70的正极与隔离变压器50的中心抽头3之间。在S40断开，且S50闭合时，上述UPS电路处于充电电池供电方式；在S40闭合，且S50断开时，上述UPS电路处于市电供电方式。
其中，开关S10、S20、S30、S40、S50可以是刀闸开关、IGBT/MOSFET或其它具有通断功能的可控开关
尽管在上述实施例中，采用了常规推挽逆变电路和中心抽头变压器来实现充电电池70的供电模式，但本领域普通技术人员应理解，在其它实施例中可以采用其他的常规逆变电路或其它类型的变压器来进行DC-AC的升压转换，例如，全桥逆变器或半桥逆变器，通过与第一组开关20功能相似的可控单向开关以及多抽头变压器的组合来实现UPS电路的双向转换。
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 (18)
1.一种UPS电路，包括充电电池和变压器，其特征在于，所述UPS电路还包括，连接于所述变压器原边和所述充电电池之间的充电单元和放电单元，以及连接于所述变压器副边和市电之间的可控双向导电装置；
在采用所述充电电池供电时，控制所述放电单元将所述充电电池提供的直流电通过所述放电单元和所述变压器逆变为交流电，以及控制所述可控双向导电装置将所述逆变的交流电通过所述可控双向导电装置输出，为负载供电；
在采用市电供电时，控制可控双向导电装置将市电提供的交流电通过所述可控双向导电装置、所述变压器和所述充电单元整流为直流电为所述充电电池充电。
2.根据权利要求1所述的UPS电路，其特征在于，所述可控双向导电装置包括可同向互补导通的两组可控双向开关。
3.根据权利要求2所述的UPS电路，其特征在于，所述两组可控双向开关包括由两个反向串联连接的开关S1、开关S2组成的第一组双向开关以及由两个反向串联连接的开关S3、开关S4组成的第二组双向开关，其中，所述开关S1、S2、S3和S4均是具有反并联二极管或寄生二极管的IGBT或MOSFET。
4.根据权利要求3所述的UPS电路，其特征在于，在采用市电供电时，根据市电电压的正负，控制所述第一组双向开关之一和所述第二组双向开关之一互补导通。
5.根据权利要求4所述的UPS电路，其特征在于，在采用市电供电且供电电压为正半周时，控制所述开关S1和所述开关S4互补导通；在采用市电供电且供电电压为负半周时，控制所述开关S2和所述开关S3互补导通。
6.根据权利要求1至5任一项所述的UPS电路，其特征在于，所述放电单元包括可控单向导电装置。
7.根据权利要求6所述的UPS电路，其特征在于，所述可控单向导电装置包括两个并联的开关MOS1和开关MOS2，所述开关MOS1和所述开关MOS2是具有反并联二极管或寄生二极管的IGBT或MOSFET。
8.根据权利要求7所述的UPS电路，其特征在于，在采用所述充电电池供电时，根据需要输出到负载的电压的正负，控制所述开关MOS1和所述开关MOS2互补导通。
9.根据权利要求8所述的UPS电路，其特征在于，在采用所述充电电池供电时，根据需要输出到负载的电压的正负，控制所述第一组双向开关之一和所述第二组双向开关之一互补导通。
10.根据权利要求9所述的UPS电路，其特征在于，在采用电池供电且需要输出到负载的电压为正半周时，控制所述开关S2和所述开关S3互补导通；在采用电池供电且需要输出到负载的电压为负半周时，控制所述开关S1和所述开关S4互补导通。
11.根据权利要求2所述的UPS电路，其特征在于，所述两组可控双向开关包括两个并联连接的可控单向开关，所述可控单向开关是具有同向串联二极管的IGBT或MOSFET。
12.根据权利要求1至11任一项所述的UPS电路，其特征在于，所述充电单元包括整流电路。
13.根据权利要求12所述的UPS电路，其特征在于，所述整流电路是由四个二极管组成的全桥整流电路。
14.根据权利要求1至13任一项所述的UPS电路，其特征在于，所述UPS电路还包括第一组滤波电路，其中，所述第一组滤波电路连接于负载与所述可控双向导电装置之间。
15.根据权利要求14所述的UPS电路，其特征在于，所述UPS电路还包括第二组滤波电路，所述第二组滤波电路连接于所述充电电池与所述整流电路之间。
16.根据权利要求1至15所述的UPS电路，其特征在于，所述UPS电路还包括用于切换供电方式的一个或多个可控开关。
17.根据权利要求16所述的UPS电路，其特征在于，所述可控开关是单刀双掷开关。
18.一种UPS电源装置，其特征在于，包括如权利要求1至17任一项所述的UPS电路。
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