用于在線(xiàn)ups系統(tǒng)的單一電池電力拓?fù)涞闹谱鞣椒?br> 【專(zhuān)利摘要】一種電力轉(zhuǎn)換器，包括接收AC輸入電力的第一電力輸入端、接收備用電力的第二電力輸入端、被配置為提供正的DC輸出電壓的第一DC總線(xiàn)、被配置為提供負(fù)的DC輸出電壓的第二DC總線(xiàn)和耦合到第一DC總線(xiàn)和第二DC總線(xiàn)的電力轉(zhuǎn)換電路。電力轉(zhuǎn)換電路具有電感器、與電感器以串聯(lián)的方式耦合的第一開(kāi)關(guān)器件、與第一開(kāi)關(guān)器件以串聯(lián)的方式耦合的第二開(kāi)關(guān)器件、和與第二開(kāi)關(guān)器件以并聯(lián)的方式耦合的旁路繼電器。電力轉(zhuǎn)換電路可切換地耦合到第一電力輸入端和第二電力輸入端，并且可運(yùn)行以對(duì)電感器充電且產(chǎn)生正的和負(fù)的DC輸出電壓。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于在線(xiàn)UPS系統(tǒng)的單一電池電力拓?fù)?br> [0001]發(fā)明背景
[0002]1.發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明的實(shí)施方式通常涉及電力轉(zhuǎn)換，并且更具體地，涉及在不間斷電源中產(chǎn)生源自輸入電壓的輸出電壓。
[0004]2.相關(guān)技術(shù)討論
[0005]不間斷電源(UPS)用于當(dāng)主電源或輸電干線(xiàn)出現(xiàn)故障時(shí)，給電氣設(shè)備或負(fù)載提供備用電力。典型的負(fù)載包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但其他負(fù)載，例如加熱/制冷/通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器、以及安全和數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)也可以由UPS提供電力。為數(shù)據(jù)中心或工業(yè)用途而設(shè)計(jì)的UPS可以為負(fù)載提供I和20kVA之間的備用電力達(dá)數(shù)小時(shí)。
[0006]UPS單元通常包括當(dāng)AC輸電干線(xiàn)電力不可使用時(shí)用作電源的一個(gè)或多個(gè)電池。電池提供的DC電力由電力轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為AC電力,然后其被提供給負(fù)載。將AC電力轉(zhuǎn)換為DC電力的電池充電器可以包括在UPS中以當(dāng)AC輸電干線(xiàn)可以使用時(shí)給電池充電來(lái)保證當(dāng)需要時(shí)備用電力將可以使用。UPS也可以包括用于自動(dòng)管理UPS的運(yùn)行和電力轉(zhuǎn)換功能的控制單元。
[0007]發(fā)明綜述
[0008]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，電力轉(zhuǎn)換器包括接收AC輸入電力的第一電力輸入端、接收備用電力的第二電力輸入端、被配置為提供正的DC輸出電壓的第一 DC總線(xiàn)、被配置為提供負(fù)的DC輸出電壓的第二 DC總線(xiàn)和耦合到第一 DC總線(xiàn)和第二 DC總線(xiàn)的電力轉(zhuǎn)換電路。電力轉(zhuǎn)換電路具有電感器、與電感器以串聯(lián)的方式耦合的第一開(kāi)關(guān)器件、與第一開(kāi)關(guān)器件以串聯(lián)的方式耦合的第二開(kāi)關(guān)器件、和與第二開(kāi)關(guān)器件以并聯(lián)的方式耦合的旁路繼電器。電力轉(zhuǎn)換電路可切換地耦合到第一電力輸入端和第二電力輸入端，并且可運(yùn)行以對(duì)電感器充電且產(chǎn)生正的和負(fù)的DC輸出電壓。電力轉(zhuǎn)換電路被配置為在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式且在AC輸入電力的正部分期間，通過(guò)電力轉(zhuǎn)換電路的第一電流通路對(duì)電感器進(jìn)行充電，第一電流通路包括第一開(kāi)關(guān)器件、第二開(kāi)關(guān)器件、第一電力輸入端和電感器。電力轉(zhuǎn)換電路還被配置為在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式且在AC輸入電力的負(fù)部分期間，通過(guò)電力轉(zhuǎn)換電路的第二電流通路對(duì)電感器進(jìn)行充電，第二電流通路包括第一開(kāi)關(guān)器件、第二開(kāi)關(guān)器件、第一電力輸入端和電感器。電力轉(zhuǎn)換電路還被配置為在備用運(yùn)行模式中，通過(guò)電力轉(zhuǎn)換電路的第三電流通路產(chǎn)生負(fù)的DC輸出電壓，第三電流通路包括第二電力輸入端、電感器、第一開(kāi)關(guān)器件和旁路繼電器，其中第三電流通路通過(guò)旁路繼電器旁路掉第二開(kāi)關(guān)器件。
[0009]在另一個(gè)實(shí)施方式中，電力轉(zhuǎn)換電路可以包括可運(yùn)行以將存儲(chǔ)在電感器中的電力轉(zhuǎn)移到第一 DC總線(xiàn)和第二 DC總線(xiàn)的升壓轉(zhuǎn)換器電路。在另一個(gè)實(shí)施方式中，電力轉(zhuǎn)換器還可以包括中性線(xiàn)輸入端、耦合到電感器的第三開(kāi)關(guān)器件。電力轉(zhuǎn)換電路還可以被配置為在備用運(yùn)行模式中，通過(guò)電力轉(zhuǎn)換電路的第四電流通路對(duì)電感器進(jìn)行充電，第四電流通路包括電感器和第三開(kāi)關(guān)器件。在又一個(gè)實(shí)施方式中，電力轉(zhuǎn)換器可以包括耦合到中性線(xiàn)輸入端的第四開(kāi)關(guān)器件。電力轉(zhuǎn)換電路還可以被配置為通過(guò)電力轉(zhuǎn)換電路的第五電流通路產(chǎn)生正的DC輸出電壓，第五電流通路包括電感器和第四開(kāi)關(guān)。[0010]在另一個(gè)實(shí)施方式中，電力轉(zhuǎn)換器可以包括耦合到第二電力輸入端的電池。然而在另一個(gè)實(shí)施方式中，電力轉(zhuǎn)換器還可以包括耦合到電池、第一 DC總線(xiàn)和第二 DC總線(xiàn)的電池充電電路。電池充電電路可以被配置為從第一 DC總線(xiàn)和/或第二 DC總線(xiàn)對(duì)電池充電。
[0011]在另一個(gè)實(shí)施方式中，電感器為第一電感器，并且電池充電電路可以包括稱(chēng)合在電池與第一 DC總線(xiàn)和/或第二 DC總線(xiàn)之間的第二電感器。
[0012]在另一個(gè)實(shí)施方式中，電力轉(zhuǎn)換器可以包括耦合到第一 DC總線(xiàn)和第二 DC總線(xiàn)的DC-AC逆變器電路。電力轉(zhuǎn)換器可以被配置為將正的DC輸出電壓和負(fù)的DC輸出電壓轉(zhuǎn)換成AC輸出電壓。
[0013]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，電力轉(zhuǎn)換器包括接收AC輸入電力的第一電力輸入端、接收備用電力的第二電力輸入端、提供各自源自AC輸入電力和/或備用電力的正的DC輸出電壓和負(fù)的DC輸出電壓的電力輸出端、可切換地I禹合到第一電力輸入端和第二電力輸入端的電感器、以及用于使用存儲(chǔ)在電感器中的能量產(chǎn)生正的DC輸出電壓和負(fù)的DC輸出電壓的
>j-U ρ?α裝直。
[0014]在另一個(gè)實(shí)施方式中，電力轉(zhuǎn)換器可以包括耦合到第二電力輸入端的電池。在又一個(gè)實(shí)施方式中，電力轉(zhuǎn)換器可以包括用于使用正的DC輸出電壓和/或負(fù)的DC輸出電壓對(duì)電池充電的裝置。
[0015]在另一個(gè)實(shí)施方式中，電力轉(zhuǎn)換器可以包括與電感器以串聯(lián)的方式I禹合的第一開(kāi)關(guān)器件、與第一開(kāi)關(guān)器件以串聯(lián)的方式耦合的第二開(kāi)關(guān)器件、與第二開(kāi)關(guān)器件以并聯(lián)的方式耦合的旁路繼電器。旁路繼電器可以被配置為在備用運(yùn)行模式中旁路掉第二開(kāi)關(guān)器件。
[0016]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，向負(fù)載提供電力的方法包括檢測(cè)來(lái)自主電源的AC輸入電力的存在。響應(yīng)于檢測(cè)到AC輸入電力`的存在且在AC輸入電力的正部分期間，該方法還包括通過(guò)電力轉(zhuǎn)換電路的第一電流通路將來(lái)自主電源的能量存儲(chǔ)在電感器中，第一電流通路包括第一開(kāi)關(guān)器件、第二開(kāi)關(guān)器件和電感器。響應(yīng)于檢測(cè)到AC輸入電力的存在且在AC輸入電力的負(fù)部分期間，該方法包括通過(guò)電力轉(zhuǎn)換電路的第二電流通路將來(lái)自主電源的能量存儲(chǔ)在電感器中，第二電流通路包括第一開(kāi)關(guān)器件、第二開(kāi)關(guān)器件和電感器。該方法還包括檢測(cè)來(lái)自主電源的AC輸入電力的喪失。響應(yīng)于檢測(cè)到AC輸入電力的喪失，該方法還包括閉合以并聯(lián)方式耦合到第二開(kāi)關(guān)器件的旁路繼電器以旁路掉第二開(kāi)關(guān)器件。響應(yīng)于檢測(cè)到AC輸入電力的喪失，該方法還包括將來(lái)自輔電源的能量存儲(chǔ)在電感器中，并且通過(guò)不包括第二開(kāi)關(guān)器件的電力轉(zhuǎn)換電路的第三電流通路將存儲(chǔ)在電感器中的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)的DC輸出電壓。
[0017]在另一個(gè)實(shí)施方式中，該方法可以包括響應(yīng)于檢測(cè)到AC輸入電力的喪失，將來(lái)自輔電源的能量存儲(chǔ)在電感器中，并且通過(guò)不包括第一開(kāi)關(guān)器件和第二開(kāi)關(guān)器件的電力轉(zhuǎn)換電路的第四電流通路將存儲(chǔ)在電感器中的能量轉(zhuǎn)換成正的DC輸出電壓。
[0018]在另一個(gè)實(shí)施方式中，電力轉(zhuǎn)換電路可以包括第一升壓轉(zhuǎn)換器電路和第二升壓轉(zhuǎn)換器電路。該方法還可以包括使用第一升壓轉(zhuǎn)換器電路將存儲(chǔ)在電感器中的電力轉(zhuǎn)換成正的DC輸出電壓，并且使用第二升壓轉(zhuǎn)換器電路將存儲(chǔ)在電感器中的電力轉(zhuǎn)換成負(fù)的DC輸出電壓。
[0019]附圖簡(jiǎn)述
[0020]附圖不必按照比例繪制。在附圖中，相同的數(shù)字代表各個(gè)圖中示出的每個(gè)相同或者幾乎相同的部件。出于清楚的目的，并不是每個(gè)部件都標(biāo)記在每個(gè)附圖中。在附圖中:
[0021]圖1是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的不間斷電源的功能框圖；
[0022]圖2A是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的電力轉(zhuǎn)換電路的原理圖；
[0023]圖2B-2G是顯示圖2A的電力轉(zhuǎn)換電路的各種電路通路的原理圖；
[0024]圖3是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的具有集成的電池充電器的電力轉(zhuǎn)換電路的原理圖；
[0025]圖4是傳統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換電路的原理圖；
[0026]圖5A是按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的電力轉(zhuǎn)換電路的原理圖；及
[0027]圖5B-5H是顯示圖5A的電力轉(zhuǎn)換電路的各種電路通路的原理圖。
[0028]發(fā)明具體描述
[0029]本發(fā)明的實(shí)施方式的應(yīng)用不受限于它們?cè)谙旅娴拿枋鲋兴U述的或者附圖所示的部件的構(gòu)造細(xì)節(jié)和部件布置方面細(xì)節(jié)的應(yīng)用。本發(fā)明的實(shí)施方式能夠具有其他實(shí)施方式且能夠以各種方式被實(shí)踐或者被執(zhí)行。而且，本文使用的詞組和術(shù)語(yǔ)用于描述性目的，且不應(yīng)視為限制性的。本文使用的“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”和其變體，意在涵蓋其后所列項(xiàng)和其等價(jià)項(xiàng)以及附加項(xiàng)。
[0030]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的UPS100的功能框圖。UPS100向負(fù)載106提供源自AC電源102或例如電池104的備用電源兩者中的任何一個(gè)的穩(wěn)壓電力。UPS100包括整流器/升壓轉(zhuǎn)換器110、逆變器120、和用于控制整流器/升壓轉(zhuǎn)換器和逆變器的控制單元130。UPS具有AC電源102的傳輸線(xiàn)(相線(xiàn))輸入端112和中性線(xiàn)輸入端114，以及各自率禹合到負(fù)載106的傳輸線(xiàn)輸出端116和中性線(xiàn)輸出端118。
[0031]在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式中，在控制單元130的控制下，整流器/升壓轉(zhuǎn)換器110將輸入AC電壓分別轉(zhuǎn)換成在正的DC總線(xiàn)121和負(fù)的DC總線(xiàn)122處的正的和負(fù)的DC電壓。正的DC總線(xiàn)121和負(fù)的DC總線(xiàn)122可以，例如，各自額定于高達(dá)+/-400VDC。整流器/升壓轉(zhuǎn)換器110包括公共的或中性線(xiàn)路124。中性線(xiàn)路124可以耦合到輸入中性線(xiàn)114和輸出中性線(xiàn)118以提供通過(guò)UPS100的持續(xù)的中性通路。在備用運(yùn)行模式(也稱(chēng)為電池運(yùn)行模式)中，在輸入AC電力喪失時(shí)，整流器/升壓轉(zhuǎn)換器110產(chǎn)生源自電池104的正的和負(fù)的DC電壓。在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式和備用運(yùn)行模式中，逆變器120接收來(lái)自整流器/升壓轉(zhuǎn)換器110的正的DC電壓121和負(fù)的DC電壓122。逆變器120在線(xiàn)路116和118處將正的和負(fù)的DC電壓轉(zhuǎn)換成輸出AC電壓。
[0032]圖2A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的電力轉(zhuǎn)換電路200的原理圖。電路200可以用于，例如，如上關(guān)于圖1所述的UPS100內(nèi)。電路200的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括單一電感器雙輸出升壓轉(zhuǎn)換器(即正的和負(fù)的DC電壓)。在電路200中有功率因數(shù)校正(PFC)整流器電路210，其耦合到AC輸電干線(xiàn)電源102的傳輸線(xiàn)輸入端112和中性線(xiàn)輸入端114，并且耦合到電池104的正的和負(fù)的接線(xiàn)端。
[0033]在運(yùn)行期間，PFC整流器電路210接收來(lái)自AC電源102的AC電力或來(lái)自電池104的輸入DC電力中的任何一個(gè)。PFC整流器電路210被配置為在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式中，將AC電力輸入轉(zhuǎn)換成輸出DC電力，其被供應(yīng)給具有正的DC總線(xiàn)121和負(fù)的DC總線(xiàn)122的分流DC總線(xiàn)。PFC整流器電路210還被配置為在備用運(yùn)行模式中，將來(lái)自電池104的輸入DC電力轉(zhuǎn)換成在正的DC總線(xiàn)121和負(fù)的DC總線(xiàn)122處的輸出DC電力。正的DC總線(xiàn)121、負(fù)的DC總線(xiàn)122和/或中性線(xiàn)路124可以耦合到逆變器(未顯示)，其被配置為將輸出DC電力轉(zhuǎn)換成輸出AC電力以供負(fù)載(也未顯示)使用。
[0034]PFC整流器電路210包括用于在AC電源102和電池104之間對(duì)輸入電力進(jìn)行切換的第一繼電器220。例如，當(dāng)AC電源102可以使用時(shí)，可以切換第一繼電器220以給電路210供應(yīng)來(lái)自AC電源的電力^AC電源102不可使用時(shí)(或當(dāng)需要備用電力時(shí))，可以切換第一繼電器220以給電路210供應(yīng)來(lái)自電池104的電力。電路還包括電感器230，如下所述，其用于將輸入電力轉(zhuǎn)換成正的DC電壓和負(fù)的DC電壓。與一些需要多個(gè)電感器的傳統(tǒng)的分流DC總線(xiàn)電路不同，電路200只包括一個(gè)電感器，因此相比于具有多個(gè)電感器的傳統(tǒng)電路具有較高的電感器部件利用率。
[0035]繼續(xù)參考圖2A，第一二極管240和第二二極管242被分別耦合到第一電容元件250和第二電容元件252。第一二極管240和第二二極管242分別在AC電源102的正的和負(fù)的半傳輸線(xiàn)周期期間，將AC輸入電流分別整流成在第一電容元件250和第二電容元件252處的DC電流。用于存儲(chǔ)正的DC電壓的第一電容元件250在一端耦合到正的DC總線(xiàn)121且在另一端耦合到中性線(xiàn)路124。用于存儲(chǔ)負(fù)的DC電壓的第二電容元件252在一端耦合到負(fù)的DC總線(xiàn)122且在另一端耦合到中性線(xiàn)路124。如圖2A所示，電路200還包括第一開(kāi)關(guān)260、第二開(kāi)關(guān)262、第二繼電器264、第三開(kāi)關(guān)266、第四開(kāi)關(guān)268和第三二極管270。
[0036]在一個(gè)實(shí)施方式中，并且如圖2B、2C和2D所不,在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式中，根據(jù)輸入AC電力的極性(即正的或負(fù)的半周期)，電力轉(zhuǎn)換電路200交替地使用輸入AC電力對(duì)電感器230進(jìn)行充電(升壓轉(zhuǎn)換器的通路狀態(tài))并且將電感器230放電到第一電容元件250或第二電容元件252兩者中的任何一個(gè)(升壓轉(zhuǎn)換器的斷路狀態(tài))。圖2B示出了圖2A的電力轉(zhuǎn)換電路200中的第一電流通路290，通過(guò)其在輸入AC電力的正半傳輸線(xiàn)周期期間，使用輸入AC電力對(duì)電感器230進(jìn)行充電。在負(fù)半傳輸線(xiàn)周期期間，第一電流通路290被反轉(zhuǎn)。在升壓轉(zhuǎn)換器的通路狀態(tài)中，第`一繼電器220切換到AC輸電干線(xiàn)輸入端112，并且開(kāi)關(guān)260和262接通以對(duì)電感器230進(jìn)行充電。在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式中，繼電器264開(kāi)路。在給電感器230充電的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)260和262兩端有兩處半導(dǎo)體壓降。
[0037]在升壓轉(zhuǎn)換器的斷路狀態(tài)中，開(kāi)關(guān)260和262斷開(kāi)以將存儲(chǔ)在電感器230中的能量放電到分流DC總線(xiàn)。圖2C示出了圖2A的電力轉(zhuǎn)換電路200中的第二電流通路291，通過(guò)其在AC輸電干線(xiàn)電力輸入的正半傳輸線(xiàn)周期期間，對(duì)存儲(chǔ)在電感器230中的能量進(jìn)行放電。在AC輸電干線(xiàn)電力輸入的正半傳輸線(xiàn)周期期間，來(lái)自電感器230的能量通過(guò)二極管240對(duì)第一電容元件250進(jìn)行充電。圖2D示出了第三電流通路292，在AC輸電干線(xiàn)電力輸入的負(fù)半傳輸線(xiàn)周期期間，在第三電流通路292中，對(duì)存儲(chǔ)在電感器230中的能量進(jìn)行放電。在負(fù)半傳輸線(xiàn)周期期間，來(lái)自電感器230的能量通過(guò)二極管242對(duì)第二電容元件252進(jìn)行充電。在正半傳輸線(xiàn)周期期間，在對(duì)電感器230進(jìn)行放電的過(guò)程中，二極管240兩端有一處二極管壓降，并且在負(fù)半傳輸線(xiàn)周期期間，在對(duì)電感器230進(jìn)行放電的過(guò)程中，二極管242兩端有一處二極管壓降。
[0038]如圖2E、2F和2G所示，在備用運(yùn)行模式期間，電力轉(zhuǎn)換電路200被配置為DC-DC轉(zhuǎn)換器升壓轉(zhuǎn)換器。電力轉(zhuǎn)換電路200交替地使用輸入DC電力(例如，來(lái)自電池104)對(duì)電感器230進(jìn)行充電(升壓轉(zhuǎn)換器的通路狀態(tài))并且將電感器230放電到第一電容元件250或第二電容元件252兩者中的任何一個(gè)(升壓轉(zhuǎn)換器的斷路狀態(tài))。圖2E示出了圖2A的電力轉(zhuǎn)換電路200中的第四電流通路293，通過(guò)其使用例如來(lái)自電池104的輸入DC電力對(duì)電感器230進(jìn)行充電。為了減少損耗，繼電器264閉合以旁路掉開(kāi)關(guān)262，其在備用運(yùn)行模式期間不被使用。在升壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)路狀態(tài)期間，開(kāi)關(guān)266接通以從電池104對(duì)電感器230進(jìn)行充電。
[0039]在升壓轉(zhuǎn)換器的斷路狀態(tài)中，開(kāi)關(guān)266斷開(kāi)以將存儲(chǔ)在電感器230中的能量放電到分流DC總線(xiàn)。圖2F示出了圖2A的電力轉(zhuǎn)換電路200中的第五電流通路294，通過(guò)其經(jīng)由二極管240將存儲(chǔ)在電感器230中的能量轉(zhuǎn)移到第一電容元件250。在正的DC總線(xiàn)121處通過(guò)開(kāi)關(guān)268，來(lái)自電感器230的能量對(duì)第一電容元件250進(jìn)行充電，并且開(kāi)關(guān)260斷開(kāi)。圖2G示出了第六電流通路295，通過(guò)其經(jīng)由二極管270將存儲(chǔ)在電感器230中的能量轉(zhuǎn)移到第二電容元件252。在負(fù)的DC總線(xiàn)122處通過(guò)開(kāi)關(guān)260，來(lái)自電感器230的能量對(duì)第二電容元件252進(jìn)行充電，并且開(kāi)關(guān)268斷開(kāi)。在對(duì)電感器充電的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)266兩端有一處半導(dǎo)體壓降。在通過(guò)第一電容元件250對(duì)電感器進(jìn)行放電的過(guò)程中，二極管240和開(kāi)關(guān)268兩端有兩處半導(dǎo)體壓降；在通過(guò)第二電容元件252對(duì)電感器進(jìn)行放電的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)260和二極管270兩端有兩處半導(dǎo)體壓降。
[0040]圖3是按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的電力轉(zhuǎn)換電路300的原理圖。電路300可以用于，例如如上關(guān)于圖1所述的UPS100內(nèi)。電路300實(shí)質(zhì)上類(lèi)似于如上關(guān)于圖2A-2G所述的電力轉(zhuǎn)換電路200，除了電路300包括集成的電池充電電路，整體指示在310處。電池充電電路310被配置為降壓轉(zhuǎn)換器且包括第二電感器320。電池充電電路310接收來(lái)自分流DC總線(xiàn)(例如，在正的DC總線(xiàn)121處的第一電容元件250和在負(fù)的DC總線(xiàn)122處的第二電容元件252)的電力。通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)330進(jìn)行操控，以使用存儲(chǔ)在第一電容元件250中的能量通過(guò)經(jīng)由第二電感器320、第四二極管332、電池104、第三電容元件334 (其可以用作濾波器)、和開(kāi)關(guān)268的體二極管的充電器電流對(duì)第二電感器320進(jìn)行充電。當(dāng)開(kāi)關(guān)330斷開(kāi)時(shí)，充電器電流慣性饋送通過(guò)可選的二極管336或通過(guò)開(kāi)關(guān)268的體二極管和二極管338?？蛇x的二極管336旁路掉二極管338和開(kāi)關(guān)268的體二極管以減少電路300中的導(dǎo)通損耗。
[0041]通過(guò)PWM控制信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)340進(jìn)行操控，以使用存儲(chǔ)在負(fù)的DC總線(xiàn)122處的第二電容元件252中的能量通過(guò)經(jīng)由二極管338、第二電感器320、二極管332、電池104、第三電容元件334 (其可以用作濾波器)、和開(kāi)關(guān)340的充電電流對(duì)第二電感器320進(jìn)行充電。當(dāng)開(kāi)關(guān)340斷開(kāi)時(shí)，充電電流慣性饋送通過(guò)可選的二極管336或通過(guò)開(kāi)關(guān)268的體二極管和二極管338。
[0042]圖4顯示了用于將AC電力轉(zhuǎn)換成在正的DC總線(xiàn)121和負(fù)的DC總線(xiàn)122處的DC電力的傳統(tǒng)的電路400。AC輸電干線(xiàn)電源102包括傳輸線(xiàn)輸入端112和中性線(xiàn)輸入端114,并且電池104包括正的DC輸入端422和負(fù)的DC輸入端424。在電路400中有功率因數(shù)校正(PFC)整流器電路405，其耦合到AC輸電干線(xiàn)電源102的傳輸線(xiàn)輸入端112和中性線(xiàn)輸入端114，并且耦合到電池104的正的和負(fù)的接線(xiàn)端。電路405包括耦合到AC輸電干線(xiàn)電源102的中性線(xiàn)輸入端114的中性總線(xiàn)124。第一電容元件440的一端耦合到正的DC總線(xiàn)121且另一端耦合到中性線(xiàn)路124。第二電容元件442的一端耦合到負(fù)的DC總線(xiàn)122且另一端耦合到中性線(xiàn)路124。
[0043]電路405通過(guò)繼電器410可切換地耦合到AC輸電干線(xiàn)電源102和DC備用電源，例如電池104。例如，當(dāng)AC輸電干線(xiàn)電源102可使用時(shí)，繼電器410切換到正常開(kāi)路位置以將AC輸電干線(xiàn)電源102的傳輸線(xiàn)輸入端112連接到電路400。當(dāng)AC輸電干線(xiàn)電源102不可使用時(shí)，繼電器410切換到正常閉合位置以將電池104的正的DC輸入端422連接到電路400。正的DC總線(xiàn)121和負(fù)的DC總線(xiàn)122可以用作用于在電氣部件之間(例如在AC輸電干線(xiàn)電源102和/或電池104和逆變器120之間)轉(zhuǎn)移電力的接口。逆變器120可以用于將在正的DC總線(xiàn)121和負(fù)的DC總線(xiàn)122處的DC電力轉(zhuǎn)換成供應(yīng)給負(fù)載(未顯示)的AC電力。
[0044]電路405還包括耦合到繼電器410的電感器420。電感器420形成被配置為產(chǎn)生正的DC總線(xiàn)121處的正的DC電壓和負(fù)的DC總線(xiàn)122處的負(fù)的DC電壓的升壓電路的一部分。升壓電路的正側(cè)包括耦合到電感器420和第一二極管434的第一開(kāi)關(guān)430，并且第一二極管434耦合到第一電容元件440。第一開(kāi)關(guān)430的下游側(cè)耦合到中性總線(xiàn)124。升壓電路的負(fù)側(cè)包括耦合到電感器420和第二二極管436的第二開(kāi)關(guān)432，并且第二二極管436耦合到第二電容元件442。電路400還包括耦合在電感器420和第一開(kāi)關(guān)430之間的第三二極管450，和耦合在電感器420和第二開(kāi)關(guān)432之間的第四二極管452。
[0045]在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式中，向電路405提供來(lái)自AC輸電干線(xiàn)電源102的電力。在AC輸電干線(xiàn)輸入的正半傳輸線(xiàn)周期期間，在脈沖寬度調(diào)制(PWM)切換周期上操控第一開(kāi)關(guān)430以交替地從傳輸線(xiàn)輸入端112對(duì)電感器420進(jìn)行充電且通過(guò)第一二極管434將電感器420放電到第一電容元件440。在正半傳輸線(xiàn)周期期間，第四二極管452阻擋電流到達(dá)升壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)側(cè)。在從電感器420到第一電容元件440的電流通路中(即在第一電容元件正在被充電的過(guò)程中)，第一二極管434是唯一的二極管。
[0046]在AC輸電干線(xiàn)輸入的負(fù)半傳輸線(xiàn)周期期間且在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式中,在PWM切換周期上操控第二開(kāi)關(guān)432以交替地從中性線(xiàn)輸入端114對(duì)電感器420進(jìn)行充電且通過(guò)第二二極管436將電感器420放電到第二電容元件442。在負(fù)半傳輸線(xiàn)周期期間，第三二極管450阻擋電流到達(dá)升壓轉(zhuǎn)換器的正側(cè)。與在正半傳輸線(xiàn)周期期間不同，其中在電感器420和DC總線(xiàn)之間的電流通路中只有一個(gè)二極管(即第一二極管434)，在負(fù)半傳輸線(xiàn)周期期間，第二二極管436和第四二極管452處在從第二電容元件442到電感器420的電流通路中(SP在第二電容元件正在被充電的過(guò)程中)。因此，在負(fù)半傳輸線(xiàn)周期期間遭受的二極管損耗比在正半傳輸線(xiàn)周期期間遭受的二極管損耗更大。
[0047]在備用運(yùn)行模式中，向電路405提供來(lái)自電池104的電力。通過(guò)接通開(kāi)關(guān)430和432對(duì)電感器420進(jìn)行充電。在對(duì)電感器420進(jìn)行充電期間，依次在二極管450、開(kāi)關(guān)430和開(kāi)關(guān)432上有三處半導(dǎo)體壓降，這減少了備用運(yùn)行模式期間的電路405的效率。通過(guò)第一電容元件440通過(guò)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)430和接通開(kāi)關(guān)432，對(duì)電感器420進(jìn)行放電。通過(guò)第二電容元件442通過(guò)接通開(kāi)關(guān)430和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)432，對(duì)電感器420進(jìn)行放電。
[0048]圖5顯示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的用于將AC電力轉(zhuǎn)換成在正的DC總線(xiàn)121和負(fù)的DC總線(xiàn)122處的DC電力的電路500。除了圖4的電路400的一些元件，電路500還包括PFC電路505、具有體二極管的第三開(kāi)關(guān)510、二極管512，并且第二繼電器520以并聯(lián)的方式耦合到二極管450。
[0049]在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式中，第二繼電器520開(kāi)路。在AC輸電干線(xiàn)輸入102的正半傳輸線(xiàn)周期期間，如圖5B中的電流通路550所示，第一開(kāi)關(guān)430接通以通過(guò)二極管450對(duì)電感器420進(jìn)行充電。如圖5C中的電流通路551所示，當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)430斷開(kāi)，通過(guò)在正的DC總線(xiàn)121上的第一電容元件440通過(guò)二極管434，對(duì)存儲(chǔ)在電感器420中的能量進(jìn)行放電。
[0050]在AC輸電干線(xiàn)輸入102的負(fù)半傳輸線(xiàn)周期期間且在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式期間，如圖中的電流通路552所示，第三開(kāi)關(guān)432接通以通過(guò)第三開(kāi)關(guān)510的體二極管對(duì)電感器420進(jìn)行充電。如圖5E中的電流通路553所示，當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)432斷開(kāi)，通過(guò)負(fù)的DC總線(xiàn)122上的第二電容元件442通過(guò)二極管512，對(duì)存儲(chǔ)在電感器LI中的能量進(jìn)行放電。
[0051]在備用運(yùn)行模式中，第二繼電器520閉合。如圖5F中的電流通路554所示，第三開(kāi)關(guān)510接通以從電池104對(duì)電感器420進(jìn)行充電。第三開(kāi)關(guān)452斷開(kāi)以對(duì)電感器420進(jìn)行放電。如圖5G中的電流通路555所示，通過(guò)正的DC總線(xiàn)121上的第一電容元件440、二極管434和接通的第二開(kāi)關(guān)432，對(duì)存儲(chǔ)在電感器420中的能量進(jìn)行放電。如圖5H中的電流通路556所示,通過(guò)在負(fù)的DC總線(xiàn)122上的第二電容元件442通過(guò)處于閉合以旁路掉二極管450的第二繼電器520、接通的第一開(kāi)關(guān)430和二極管436對(duì)電感器420進(jìn)行放電。通過(guò)第二繼電器520旁路掉二極管450減少了電路505的導(dǎo)通損耗。而且，二極管512并聯(lián)到二極管436和第三開(kāi)關(guān)510的體二極管，這又減少了電路505的導(dǎo)通損耗。
[0052]任何前述實(shí)施方式可以實(shí)現(xiàn)在UPS中，例如，使用DC電池作為備用電源的UPS。UPS可以被配置為提供備用電力給任何數(shù)量的電力消耗設(shè)備，例如計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)路由器、空調(diào)單元、照明設(shè)備、安保系統(tǒng)、或需要不間斷電力的其他設(shè)備和系統(tǒng)。UPS可以包含或耦合到控制UPS運(yùn)行的控制器或控制單元。例如，控制器可以給電路里的每個(gè)切換設(shè)備提供脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)用于控制電力轉(zhuǎn)換功能。在另一個(gè)例子中，控制器可以為繼電器提供控制信號(hào)。通常，控制器控制UPS的運(yùn)行，使其在可以使用來(lái)自AC電源的電力時(shí)，從AC電源給電池充電，并且當(dāng)AC電源不能用或處于電壓過(guò)低的情況時(shí)，逆變來(lái)自電池的DC電力?？刂破骺梢园匀魏畏绞浇M合的硬件、軟件、固件、處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、數(shù)據(jù)總線(xiàn)、和/或其他元件，它們可以用于實(shí)現(xiàn)控制器的相應(yīng)功能。
[0053]在如上所述的實(shí)施方式中，電池用作備用電源。在其他實(shí)施方式中，可以使用其他AC或DC備用源和設(shè)備，包括燃料電池、光電池、DC微型渦輪機(jī)、電容器、供選擇的AC電源，和任何其他合適的電源，或者任何它們的組合。在利用電池作為備用電源的本發(fā)明的實(shí)施方式中，電池可以由以并聯(lián)或串聯(lián)方式耦合的多個(gè)電池單元組成。
[0054]在一個(gè)或多個(gè)前述實(shí)施方式中，切換器件可以是任何電子的或機(jī)電的器件，其以受控的方式(例如，通過(guò)使用控制信號(hào))傳導(dǎo)電流且能夠隔離導(dǎo)電通路。圖中的各種切換器件和其他電子器件的表示是示例性的且不意在是限制性的，因?yàn)楸绢I(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，使用各種類(lèi)型、布置和配置的器件可以獲得相似的或相同的功能。例如，一個(gè)或多個(gè)切換器件可以含有一個(gè)或多個(gè)反向并聯(lián)二極管，或這些二極管可以與這些切換器件分開(kāi)。如上所述，在一些實(shí)施方式中，切換設(shè)備包括整流器，例如，能夠通過(guò)應(yīng)用控制信號(hào)而接通和斷開(kāi)的受控整流器(例如，SCR、晶閘管等等)。此外，其他元件，例如電阻器、電容器、電感器、電池、電源、負(fù)載、變壓器、繼電器、二極管和類(lèi)似元件可以包含在單一的器件或多個(gè)連接的器件中。
[0055]在如上所述的實(shí)施方式中，描述了供不間斷電源使用的整流器/升壓電路，然而應(yīng)該理解的是，本文所述的電路可以供其他類(lèi)型的電源使用。
[0056]本發(fā)明的實(shí)施方式可供具有各種輸入電壓和輸出電壓的不間斷電源使用，且可以用于單相或多相不間斷電源。
[0057]至此，已經(jīng)描述了本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式的幾個(gè)方面，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，各種替代、修改和改進(jìn)將是很容易出現(xiàn)的。這些替代、修改和改進(jìn)意在屬于本公開(kāi)內(nèi)容的一部分，并且意在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。例如，用于使電力轉(zhuǎn)換器的切換設(shè)備運(yùn)行的選通脈沖可以在頻率、占空比、或這兩者上變化。而且，可以利用電氣部件的供選擇的配置來(lái)產(chǎn)生相似的功能，例如，逆變器功能和充電器功能，或者其他功能。因此，前述的描述和附圖僅僅是示例性的。
【權(quán)利要求】
1.一種電力轉(zhuǎn)換器，包括: 第一電力輸入端，所述第一電力輸入端接收AC輸入電力； 第二電力輸入端，所述第二電力輸入端接收備用電力； 第一 DC總線(xiàn)，所述第一 DC總線(xiàn)被配置為提供正的DC輸出電壓； 第二 DC總線(xiàn)，所述第二 DC總線(xiàn)被配置為提供負(fù)的DC輸出電壓；以及電力轉(zhuǎn)換電路，所述電力轉(zhuǎn)換電路耦合到所述第一 DC總線(xiàn)和所述第二 DC總線(xiàn)，具有電感器、與所述電感器以串聯(lián)的方式耦合的第一開(kāi)關(guān)器件、與所述第一開(kāi)關(guān)器件以串聯(lián)的方式耦合的第二開(kāi)關(guān)器件、和與所述第二開(kāi)關(guān)器件以并聯(lián)的方式耦合的旁路繼電器，所述電力轉(zhuǎn)換電路可切換地耦合到所述第一電力輸入端和所述第二電力輸入端，所述電力轉(zhuǎn)換電路可運(yùn)行以對(duì)所述電感器充電且產(chǎn)生所述正的DC輸出電壓和所述負(fù)的DC輸出電壓，所述電力轉(zhuǎn)換電路被配置為: 在傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式中且在所述AC輸入電力的正部分期間，通過(guò)所述電力轉(zhuǎn)換電路的第一電流通路對(duì)所述電感器進(jìn)行充電，所述第一電流通路包括所述第一開(kāi)關(guān)器件、所述第二開(kāi)關(guān)器件、所述第一電力輸入端和所述電感器； 在所述傳輸線(xiàn)運(yùn)行模式中且在所述AC輸入電力的負(fù)部分期間，通過(guò)所述電力轉(zhuǎn)換電路的第二電流通路對(duì)所述電感器進(jìn)行充電，所述第二電流通路包括所述第一開(kāi)關(guān)器件、所述第二開(kāi)關(guān)器件、所述第一電力輸入端和所述電感器 '及 在備用運(yùn)行模式中，通過(guò)所述電力轉(zhuǎn)換電路的第三電流通路產(chǎn)生所述負(fù)的DC輸出電壓，所述第三電流通路包括所述第二電力輸入端、所述電感器、所述第一開(kāi)關(guān)器件和所述旁路繼電器，其中所述第三電流通路通過(guò)所述旁路繼電器旁路掉所述第二開(kāi)關(guān)器件。
2.如權(quán)利要求1所述·的電力轉(zhuǎn)換器，其中所述電力轉(zhuǎn)換電路包括升壓轉(zhuǎn)換器電路，該升壓轉(zhuǎn)換器電路可運(yùn)行以將存儲(chǔ)在所述電感器中的電力轉(zhuǎn)移到所述第一 DC總線(xiàn)和所述第二 DC總線(xiàn)。
3.如權(quán)利要求2所述的電力轉(zhuǎn)換器，還包括中性線(xiàn)輸入端和耦合到所述電感器的第三開(kāi)關(guān)器件，其中所述電力轉(zhuǎn)換電路還被配置為在所述備用運(yùn)行模式中，通過(guò)所述電力轉(zhuǎn)換電路的第四電流通路對(duì)所述電感器進(jìn)行充電，所述第四電流通路包括所述電感器和所述第三開(kāi)關(guān)器件。
4.如權(quán)利要求3所述的電力轉(zhuǎn)換器，還包括耦合到所述中性線(xiàn)輸入端的第四開(kāi)關(guān)器件，其中所述電力轉(zhuǎn)換電路還被配置為通過(guò)所述電力轉(zhuǎn)換電路的第五電流通路產(chǎn)生所述正的DC輸出電壓，所述第五電流通路包括所述電感器和所述第四開(kāi)關(guān)。
5.如權(quán)利要求4所述的電力轉(zhuǎn)換器，還包括耦合到所述第二電力輸入端的電池。
6.如權(quán)利要求5所述的電力轉(zhuǎn)換器，還包括耦合到所述電池、所述第一DC總線(xiàn)和所述第二 DC總線(xiàn)的電池充電電路，其中所述電池充電電路被配置為從所述第一 DC總線(xiàn)和所述第二 DC總線(xiàn)中的至少一個(gè)對(duì)所述電池充電。
7.如權(quán)利要求6所述的電力轉(zhuǎn)換器，其中所述電感器為第一電感器，并且其中所述電池充電電路包括耦合在所述電池與所述第一 DC總線(xiàn)和所述第二 DC總線(xiàn)中的至少一個(gè)之間的第二電感器。
8.如權(quán)利要求4所述的電力轉(zhuǎn)換器，還包括DC-AC逆變器電路，該DC-AC逆變器電路耦合到所述第一 DC總線(xiàn)和所述第二 DC總線(xiàn)，并且配置為將所述正的DC輸出電壓和所述負(fù)的DC輸出電壓轉(zhuǎn)換成AC輸出電壓。
9.一種電力轉(zhuǎn)換器，包括: 第一電力輸入端，所述第一電力輸入端接收AC輸入電力； 第二電力輸入端，所述第二電力輸入端接收備用電力； 電力輸出端，所述電力輸出端提供各自源自所述AC輸入電力和所述備用電力中的至少一個(gè)的正的DC輸出電壓和負(fù)的DC輸出電壓； 電感器，所述電感器可切換地耦合到所述第一電力輸入端和所述第二電力輸入端；以及 用于使用存儲(chǔ)在所述電感器中的能量產(chǎn)生所述正的DC輸出電壓和所述負(fù)的DC輸出電壓的裝置。
10.如權(quán)利要求9所述的電力轉(zhuǎn)換器，還包括耦合到所述第二電力輸入端的電池。
11.如權(quán)利要求10所述的電力轉(zhuǎn)換器，還包括用于使用所述正的DC輸出電壓和所述負(fù)的DC輸出電壓中的至少一個(gè)對(duì)所述電池充電的裝置。
12.如權(quán)利要求9所述的電力轉(zhuǎn)換器，還包括與所述電感器以串聯(lián)的方式耦合的第一開(kāi)關(guān)器件、與所述第一開(kāi)關(guān)器件以串聯(lián)的方式耦合的第二開(kāi)關(guān)器件、與所述第二開(kāi)關(guān)器件以并聯(lián)的方式耦合的旁路繼電器，其中所述旁路繼電器被配置為在備用運(yùn)行模式中旁路掉所述第二開(kāi)關(guān)器件。
13.一種向負(fù)載提供電力的方法，所述方法包括: 檢測(cè)來(lái)自主電源的AC輸入電力的存在； 響應(yīng)于檢測(cè)到所述AC輸入電力的存在且在所述AC輸入電力的正部分期間，通過(guò)電力轉(zhuǎn)換電路的第一電流通路將來(lái)自所述主電源的能量存儲(chǔ)在電感器中，所述第一電流通路包括第一開(kāi)關(guān)器件、第二開(kāi)關(guān)器件和所述電感器； 響應(yīng)于檢測(cè)到所述AC輸入電力的存在且在所述AC輸入電力的負(fù)部分期間，通過(guò)所述電力轉(zhuǎn)換電路的第二電流通路將來(lái)自所述主電源的能量存儲(chǔ)在所述電感器中，所述第二電流通路包括第一開(kāi)關(guān)器件、第二開(kāi)關(guān)器件和所述電感器； 檢測(cè)來(lái)自所述主電源的所述AC輸入電力的喪失； 響應(yīng)于檢測(cè)到所述AC輸入電力的喪失，閉合以并聯(lián)方式耦合到所述第二開(kāi)關(guān)器件的旁路繼電器以旁路掉所述第二開(kāi)關(guān)器件；及 響應(yīng)于檢測(cè)到所述AC輸入電力的喪失，將來(lái)自輔電源的能量存儲(chǔ)在所述電感器中，并且通過(guò)所述電力轉(zhuǎn)換電路的第三電流通路將存儲(chǔ)在所述電感器中的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)的DC輸出電壓，所述第三電流通路不包括所述第二開(kāi)關(guān)器件。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括響應(yīng)于檢測(cè)到所述AC輸入電力的喪失，將來(lái)自所述輔電源的能量存儲(chǔ)在所述電感器中，并且通過(guò)所述電力轉(zhuǎn)換電路的第四電流通路將存儲(chǔ)在所述電感器中的能量轉(zhuǎn)換成正的DC輸出電壓，所述第四電流通路不包括所述第一開(kāi)關(guān)器件和所述第二開(kāi)關(guān)器件。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述電力轉(zhuǎn)換電路包括升壓轉(zhuǎn)換器電路，并且其中所述方法還包括使用所述升壓轉(zhuǎn)換器電路將存儲(chǔ)在所述電感器中的電力轉(zhuǎn)換成正的DC輸出電壓。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述升壓轉(zhuǎn)換器電路為第一升壓轉(zhuǎn)換器電路，其中所述電力轉(zhuǎn)換電路包括第二升壓轉(zhuǎn)換器電路，并且其中所述方法還包括使用所述第二升壓轉(zhuǎn)換器電路將存儲(chǔ)在所述電感器中的`電力轉(zhuǎn)換成負(fù)的DC輸出電壓。
【文檔編號(hào)】H02J9/00GK103828186SQ201280046599
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月28日
【發(fā)明者】R·格霍什, 馬亨德拉庫(kù)瑪·里帕萊, D·克里基克 申請(qǐng)人:施耐德電氣It公司