CN101232191A

CN101232191A - 一种不间断电源

Info

Publication number: CN101232191A
Application number: CNA2007101250288A
Authority: CN
Inventors: 余恒; 罗永昌
Original assignee: Emerson Network Power Co Ltd
Current assignee: Vertiv Tech Co Ltd
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: CN100578888C

Abstract

本发明公开一种不间断电源，包括交流电能输入、直流电源、可控开关、升压模块和逆变模块，直流电源由一组电池构成，升压模块包括一电感、第一、二开关管、第一、二电容、整流管、第三、四二极管和用于在交流电负相状态时阻止电流流过第一开关管的第十二二极管；电感输入端与火线和直流电源正极耦合，其输出端与整流管第一端相连并与第一开关管的第一端耦合；第三二极管第一端与第一开关管第一端相连，其第二端经第一电容、第二电容、第四二极管与直流电源负极相连；零线与第一开关管的第二端、第二开关管的第一端耦合并连接到第一电容和第二电容之间，第二开关管、和整流管的第二端与直流电源负极相连。本发明只需要使用一组电池和电感，成本低。

Description

一种不间断电源

技术领域

本发明涉及一种不间断电源。

背景技术

如图1所示，现有的不间断电源(UPS)一般都包括交流电能输入、直流电源、可控开关、升压模块和逆变模块，可控开关被配置用于以有选择地将交流电能输入或直流电源中连接到升压模块上，升压模块用于将输入电压升压并输出至逆变模块，逆变模块用于将升压模块输出的电压变换成交流电压输出。现有的直流电源包括两组电池V1、V2，这两组电池分别负责电池模式下的正相和负相供电。而升压模块包括两组电感L1、L2，两个开关管Q1、Q2，两个二极管D5、D6，电容C1、C2。现有的逆变模块多采用半桥逆变拓扑，包括功率开关管Q3、Q4、电感L3、电容C3。

这种不间断电源的不足之处在于：需要设置两组电池和两组电感，这将导致UPS整机成本大幅提高。因为电感L1在正相时工作，在负相时不工作；电感L2在负相时工作，在正相时不工作，电感利用率低。当UPS的输出功率较大的时候，Q1、Q2需要几个管子并联使用，因功率管的开关时间及特性不可能完全一致，功率管不能做到很好的均流，这可能会降低整个系统的可靠性。在220V交流输出系统中，母线电压需要提升到大约±400V，采用半桥逆变拓扑的逆变模块，功率开关管Q3、Q4需要采用耐压1200V的管子，耐压1200V的管子成本高；采用1200V耐压的管子后开关频率不能太高，滤波体积大，成本高；此外逆变模块采用半桥逆变拓扑，逆变模块工作在两电平状态，电压纹波大，滤波体积大，成本高；逆变模块在电感L3续流期间，会对母线电容充电，使母线电容上的电压波动更大甚至失控，需要另外提供母线电压平衡措施。例如：正相工作期间：Q3导通时，电容C1给电感L3充电；Q3关断时，电感L3经过C3、C2、D4放电，该放电电流会给C2充电，而正相工作期间，母线电容C2是不受控制的，从而使C2上的电压波动更大。

发明内容

本发明就是为了现有技术需要两组电池、两组电感带来的高成本的不足，提出了一种成本较低的不间断电源。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种不间断电源，包括交流电能输入、直流电源、可控开关、升压模块和逆变模块，所述可控开关被配置用于有选择地将交流电能输入或直流电源中连接到升压模块上，所述升压模块用于将输入电压升压并输出至逆变模块，所述逆变模块用于将升压模块输出的电压变换成交流电压输出，所述直流电源由一组电池构成，所述升压模块包括一电感、第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、整流管、第三二极管、第四二极管和用于在交流电负相状态时阻止电流流过第一开关管的第十二二极管；所述电感输入端与交流电能输入的火线和直流电源正极耦合，其输出端与整流管第一端相连并与第一开关管的第一端耦合；所述第三二极管第一端与第一开关管第一端相连，所述第三二极管第二端经第一电容、第二电容、第四二极管与直流电源负极相连；所述交流电能输入的零线与第一开关管的第二端、第二开关管的第一端耦合并连接到第一电容和第二电容之间，所述第二开关管、和整流管的第二端都与直流电源负极相连。

优选地，所述第十二二极管阳极与所述整流管第一端相连，其阴极与第一开关管第一端相连。

所述第十二二极管阳极与第一开关管第二端相连，其阴极与第二开关管第一端相连。

所述整流管包括二极管或包括带体内二极管的功率场效应晶体管或包括带体内二极管的绝缘栅双极晶体管。

所述升压模块有至少两个，每个升压模块之间交错并联。

所述逆变模块有至少两个，每个逆变模块之间交错并联。

所述逆变模块有三个，每个逆变模块之间并联，且各个逆变模块分别引出一输出端，用于实现不间断电源的三相输出。

所述逆变模块为三电平逆变拓扑。

本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明只需要使用一组电池和电感，即可实现不间断供电，本发明大大降低了不间断电源的成本。本发明的逆变模块采用三电平逆变拓扑，可以降低器件应力，降低滤波体积，提高整机效率，降低料本。另外，采用三电平逆变电路，通过控制，在电感续流期间，续流电流不会对母线电容充电，与半桥逆变电路相比，不需要其他措施来防止母线电压不平衡。本发明通过交错并联升压模块和逆变模块，可以增大UPS的输出功率，减小母线电压纹波。

附图说明

图1是现有技术的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式一的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式一在第一阶段的电流流向示意图；

图4是本发明具体实施方式一在第二阶段的电流流向示意图；

图5是本发明具体实施方式一在第三阶段的电流流向示意图；

图6是本发明具体实施方式一在第四阶段的电流流向示意图；

图7是本发明具体实施方式一在第五阶段的电流流向示意图；

图8是本发明具体实施方式一在第六阶段的电流流向示意图；

图9是本发明具体实施方式一在第七阶段的电流流向示意图；

图10是本发明具体实施方式一在第八阶段的电流流向示意图；

图11是本发明具体实施方式二的结构示意图；

图12是本发明具体实施方式三的结构示意图；

图14是本发明具体实施方式四的结构示意图；

图15是本发明具体实施方式六的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式一

如图2所示，一种不间断电源(UPS)，包括交流电能输入、直流电源、可控开关、升压模块和逆变模块，所述可控开关被配置用于以有选择地将交流电能输入或直流电源中连接到升压模块上，所述升压模块用于将交流电能输入或直流电源提供的输入电压进行升压并输出至逆变模块，所述逆变模块用于将升压模块输出的电压变换成交流电压输出。所述直流电源由一组电池BAT构成，所述升压模块包括一电感L1、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一电容C1、第二电容C2、整流管D11、第十二二极管D12、第三二极管D3和第四二极管D4。所述整流管为二极管。所述第十二二极管D12用于在交流电负相状态时阻止电流流过第一开关管Q1。所述整流管D11为二极管。所述开关管可以是功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)或其他可控器件。

所述可控开关包括第一开关S1、第二开关S2。所述第一开关S1、第二开关S2可以是继电器，也可以是可控半导体器件，通过控制第一开关S1、第二开关S2的开通、闭合可以有选择地将交流电能输入或直流电源中连接到升压模块上，即进行市电工作模式和电池工作模式的切换。

所述逆变模块可为三电平逆变拓扑、半桥逆变拓扑或其他，优选三电平逆变拓扑。本具体实施方式中逆变模块为三电平逆变拓扑，这个逆变模块与正直流母线、负直流母线和中线连接。逆变模块包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九二极管D9、第十二极管D10、第三电感L3、第三电容C3。所述第五开关管Q5和第七开关管Q7互补工作，第六开关管Q6和第八开关管Q8互补工作。采用三电平逆变拓扑的逆变模块与现有的半桥拓扑相比，对220VAC输出系统可以使用600V耐压的功率管(MOSFET或IGBT)，这样可以提高开关频率，从而减小输出LC滤波器的体积，同时降低滤波器的成本。如图2所示，在正相工作期间：第六开关管Q6恒通，第五开关管Q5导通时，电容C1给电感L3充电；第五开关管Q5关断时，电感L3上的电流通过第三电容C3、第九二极管D9、第六开关管Q6续流，该续流电流不会对母线电容充电，因此采用三电平逆变电路时，母线电容电压波动较小。

所述电感L1输入端A与交流电能输入的火线I/P_L和直流电源BAT正极耦合，电感L1输出端B与整流管D11阴极、第十二二极管D12阳极相连。所述整流管D11阳极与直流电源负极相连。所述第十二二极管D12阴极与第一开关管Q1漏极、第三二极管D3阳极相连。所述第一开关管Q1源极与交流电能输入的零线N、第二开关管Q2漏极相连。第三二极管D3阳极依次与第一电容C1和第二电容C2、第四二极管D4阳极相连。第四二极管D4阴极与直流电源负极相连。所述第二开关管Q2与第一开关管Q1源极的漏极相连，第二开关管Q2源极与直流电源负极相连。所述交流电能输入的零线N连接到第一开关管Q1的源极、第二开关管Q2漏极之间，交流电能输入的零线N还连接到第一开关管Q1的源极、第二开关管Q2漏极之间第一端耦合并连接到第一电容C1和第二电容C2之间。所述第一开关管Q1和第二开关管Q2的栅极(控制端)外接脉宽调制(PulseWidth Modulation，简称PWM)控制信号。

上述不间断电源的工作原理如下：当UPS处于市电模式下时，即交流电能输入正常时(此时第一开关S1闭合，第二开关S2断开)，直流电源不工作，交流电能输入被连接到升压模块上。当UPS处于电池模式下时，即交流电能输入异常(此时第一开关S1断开，第二开关S2闭合)时，交流电能输入不工作，直流电源工作，直流电源被连接到升压模块上。下面将做详细分析。

在交流市电正相工作状态：

第一阶段：如图3所示，第一开关管Q1和第二开关管Q2工作在PWM状态。在一个开关周期内，第一开关管Q1闭合，第二开关管Q2断开，电流路径为：由交流电能输入的火线I/P_L流经第一开关S1、电感L1、第十二二极管D12、第一开关管Q1，再回到交流电能输入的零线N。在此过程电感L1被充电。

第二阶段：如图4所示，第一开关管Q1和第二开关管Q2都断开，电流路径为由交流电能输入的火线I/P_L流经第一开关S1、电感L1、第十二二极管D12、第三二极管D3、第一电容C1，再回到交流电能输入的零线N。在此过程中交流电能叠加电感L1上存储的电能对第一电容C1充电，使第一电容C1的电压达到正直流母线电压。

在交流市电负相工作状态：

第三阶段：如图5所示，第一开关管Q1断开、第二开关管Q2闭合，电流路径为：由交流电能输入的零线N流经第二开关管Q2、整流管D11、电感L1，再回到交流电能输入的火线I/P_L。在此过程电感L1被充电。

第四阶段：如图6所示，第二开关管Q2断开，电流路径为由交流电能输入的零线N流经第二电容C2、第四二极管D4、第一二极管D11、电感L1，再回到交流电能输入的火线I/P_L。在此过程中第二开关管Q2工作在PWM状态，交流电能通过电感L1对第二电容C2充电。

在电池正相工作状态：

第五阶段：如图7所示，第一开关管Q1和第二开关管Q2工作在PWM状态。在一个开关周期内，第一开关管Q1、第二开关管Q2都闭合，电流路径为：由直流电源的电池正极流经第二开关、电感L1、第十二二极管D12、第一开关管Q1、第二开关管Q2，再回到电池负极。在此过程电感L1被充电。

第六阶段：如图8所示，第一开关管Q1断开、第二开关管Q2闭合，电流路径为：由直流电源的电池正极流经第一开关S1、电感L1、第十二二极管D12、第三二极管D3、第一电容C1、第二开关管Q2，再回到电池负极。在此过程中直流电源叠加电感L1上存储的电能对第一电容C1充电，使第一电容C1的电压维持正直流母线电压。

在电池负相工作状态：

第七阶段：如图9所示，第一开关管Q1、第二开关管Q2都闭合，电流路径为：由直流电源的电池正极流经第二开关、电感L1、第十二二极管D12、第一开关管Q1、第二开关管Q2，再回到电池负极。在此过程电感L1被充电。

第八阶段：如图10所示，第一开关管Q1闭合、第二开关管Q2断开，电流路径为：由直流电源的电池正极流经第一开关S1、电感L1、第十二二极管D12、第一开关管Q1、第二电容C2、第四二极管D3，再回到电池负极。在此过程中直流电源叠加电感L1上存储的电能对第二电容C2充电，使第一电容C2的电压维持负直流母线电压。

逆变模块的工作是通过锁相实现的，所述逆变模块将第一、二电容上的正、负母线直流电压转换成交流电压输出，其动作原理此处不再赘述。本具体实施方式采用三电平逆变拓扑，可以减小母线电容上的电压纹波。

具体实施方式二

如图11所示，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：改变了第十二二极管D12的位置，在本具体实施方式中第十二二极管D12被挪到了第一开关管Q1源极与第二开关管Q2漏极之间。即：第十二二极管D12的阳极与第一开关管Q1源极相连，第十二二极管D12阴极与第二开关管Q2漏极和交流电能输入的零线N相连。这样，当第一开关管Q1关断、第三二极管D3导通时，可以节省一个二极管损耗。

具体实施方式三

如图12所示，本具体实施方式与具体实施方式二的不同之处在于：整流管用带体二极管的功率场效应管(MOS)或带体二极管的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)来代替。在市电模式下，所述晶体管Q11的体内二极管D11作为整流二极管使用；在电池模式下，通过控制Q11的开通、关闭实现对电感L1进行充放电，与图11中通过控制第一开关管Q1和第二开关管Q2的通断对电感L1充放电相比，可以再节省一个MOS管的损耗。

具体实施方式四

如图13所示，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式中升压模块有两个，每个升压模块之间交错并联。每一升压模块的工作原理均与具体实施方式一中的升压模块的工作原理相同，但本具体实施方式中的各个升压模块之间以一定的相位错开工作。若两个升压模块进行交错并联，则每一升压模块之间错开180度相位运行；若三个升压模块进行交错并联，则每一升压模块之间错开120度运行，依此类推。本具体实施方式可以增大输出功率，这样每一个升压模块内的开关管都可以只采用单管，减小了功率管并联使用的可靠性问题。显然，这种交错并联可以扩展到3个、4个......n个升压模块交错并联。采用交错并联技术后，在电感纹波电流相等的条件下，与不交错方案相比，可以降低输入电流总的纹波电流，从而减小了输入EMI滤波器的体积，不间断电源的成本也得到进一步降低。

具体实施方式五

如图14所示，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式中逆变模块有两个，每个逆变模块之间交错并联。显然，也可将3个、4个......n个逆变模块进行交错并联。本具体实施方式可以增大输出功率的容量。

具体实施方式六

如图15所示，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式中逆变模块有三个，每个逆变模块之间并联，且各个逆变模块分别引出一输出端，用于实现不间断电源的三相输出。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种不间断电源，包括交流电能输入、直流电源、可控开关、升压模块和逆变模块，所述可控开关被配置用于有选择地将交流电能输入或直流电源中连接到升压模块上，所述升压模块用于将输入电压升压并输出至逆变模块，所述逆变模块用于将升压模块输出的电压变换成交流电压输出，其特征在于：所述直流电源由一组电池(BAT)构成，所述升压模块包括一电感(L1)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、整流管(D11)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)和用于在交流电负相状态时阻止电流流过第一开关管(Q1)的第十二二极管(D12)；所述电感(L1)输入端与交流电能输入的火线和直流电源正极耦合，其输出端与整流管(D11)第一端相连并与第一开关管(Q1)的第一端耦合；所述第三二极管(D3)第一端与第一开关管(Q1)第一端相连，所述第三二极管(D3)第二端经第一电容(C1)、第二电容(C2)、第四二极管(D4)与直流电源负极相连；所述交流电能输入的零线与第一开关管(Q1)的第二端、第二开关管(Q2)的第一端耦合并连接到第一电容(C1)和第二电容(C2)之间，所述第二开关管(Q2)的第二端和整流管(D11)的第二端都与直流电源负极相连。

2.根据权利要求1所述的不间断电源，其特征在于：所述第十二二极管(D12)阳极与所述整流管(D11)第一端相连，其阴极与第一开关管(Q1)第一端相连。

3.根据权利要求1所述的不间断电源，其特征在于：所述第十二二极管(D12)阳极与第一开关管(Q1)第二端相连，其阴极与第二开关管(Q2)第一端相连。

4.根据权利要求2所述的不间断电源，其特征在于：所述整流管(D11)包括二极管或包括带体内二极管的功率场效应晶体管或包括带体内二极管的绝缘栅双极晶体管。

5.根据权利要求3所述的不间断电源，其特征在于：所述整流管(D11)包括二极管或包括带体内二极管的功率场效应晶体管或包括带体内二极管的绝缘栅双极晶体管。

6.根据权利要求1-5任一所述的不间断电源，其特征在于：所述升压模块有至少两个，每个升压模块之间交错并联。

7.根据权利要求1-5任一所述的不间断电源，其特征在于：所述逆变模块有至少两个，每个逆变模块之间交错并联。

8.根据权利要求1-5任一所述的不间断电源，其特征在于：所述逆变模块有三个，每个逆变模块之间并联，且各个逆变模块分别引出一输出端，用于实现不间断电源的三相输出。

9.根据权利要求1-5任一所述的不间断电源，其特征在于：所述逆变模块为三电平逆变拓扑。