專利名稱：一種用于不間斷電源的前級(jí)倍壓電路及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于不間斷電源的前級(jí)倍壓電路及其控制方法。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及，特別是網(wǎng)絡(luò)通訊的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等對(duì)電源的要求越來(lái)越高。供電故障將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的癱瘓，重要數(shù)據(jù)丟失和程序破壞，有的甚至導(dǎo)致磁盤(pán)損壞，造成不可彌補(bǔ)的損失。不間斷電源(簡(jiǎn)稱UPS)能提供完全凈化的、不間斷的電源，是網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)備必備的重要外圍設(shè)備。信息技術(shù)的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛運(yùn)用，對(duì)UPS提出更高的要求，推動(dòng)UPS技術(shù)的發(fā)展。而控制技術(shù)，微處理器技術(shù)及功率器件的進(jìn)步，則為UPS的發(fā)展提供了可能。UPS產(chǎn)品也將隨著網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的普及而越來(lái)越被廣泛的應(yīng)用。
當(dāng)前中小功率的UPS電路比較流行的是采用高頻鏈結(jié)構(gòu)，如圖1所示，前級(jí)為功率因數(shù)校正電路(簡(jiǎn)稱PFC)，后級(jí)直接用半橋逆變輸出，電池的升壓共用市電的PFC拓?fù)?。該結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)潔，成本低，可靠性高，且輸入輸出零線共用，保證了用電器安全。
前級(jí)PFC一般采用倍壓升壓功率因數(shù)校正(Double Voltage BoostPFC)的方案。如圖2所示，它是由兩個(gè)Boost PFC組成，因二極管D1和D3的單向?qū)щ姷奶攸c(diǎn)，使得每個(gè)Boost變換器工作于電網(wǎng)的半個(gè)周期，而輸出電壓為每個(gè)Boost輸出之和。上下兩個(gè)PFC電路分別用各自的控制芯片控制，保證對(duì)應(yīng)的輸出穩(wěn)壓，輸入電流為正弦半波。如在輸入電壓的正半周，二極管D1導(dǎo)通，D3截止，上路PFC電路工作，L1的電流為正弦半波，給C1和負(fù)載提供能量，此時(shí)下半路PFC不工作。當(dāng)輸入電源為負(fù)半周時(shí)，則情況正好相反。倍壓Boost PFC電路具有以下特點(diǎn)，1)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；2)輸入輸出共用零線，適用于UPS的前置級(jí)；3)輸出電壓高，且輸出電壓分別控制穩(wěn)壓，不存在電容電壓均壓?jiǎn)栴}。倍壓BoostPFC電路具有以上特點(diǎn)，并且成熟可靠，業(yè)已成為中小功率單進(jìn)單出UPS前置功率級(jí)的主流技術(shù)。但是，在現(xiàn)有產(chǎn)品的高頻UPS結(jié)構(gòu)中，蓄電池的掛接方式還存在電路復(fù)雜、元器件多的問(wèn)題，而其控制方式所需電路也大多較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決以上問(wèn)題，提供一種用于不間斷電源的前級(jí)倍壓電路及其控制方法，所需元器件少，控制方式簡(jiǎn)單。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種用于不間斷電源的前級(jí)倍壓電路及其控制方法，所述根據(jù)原電路電感的數(shù)量不同，分為以下兩種不同的表現(xiàn)形式，二者屬于同一構(gòu)思一、雙電感本電路包括上半路功率因數(shù)校正電路、下半路功率因數(shù)校正電路、整流電路和蓄電池接入支路，所述上半路功率因數(shù)校正電路包括第一功率開(kāi)關(guān)Q1、第二二極管D2、第一電容C1和第一電感Lmain1，所述第一功率開(kāi)關(guān)Q1的正端與第二二極管D2的陽(yáng)極相連，負(fù)端與第一電容C1相連，第一電容C1的另一端與第二二極管D2的陰極相連，所述第一電感Lmain1一端與第一功率開(kāi)關(guān)Q1的正端相連；下半路功率因數(shù)校正電路包括第二功率開(kāi)關(guān)Q2、第四二極管D4、第二電容C2和第二電感Lmain2，第二功率開(kāi)關(guān)Q2的負(fù)端與第四二極管D4的陰極相連，正端與第二電容C2相連，第二電容C2的另一端與第四二極管D4的陽(yáng)極相連，第二電感Lmain1一端與第二功率開(kāi)關(guān)Q2的負(fù)端相連；所述整流電路包括第一、三整流二極管D1、D3，所述第一二極管D1的陽(yáng)極和第三二極管D3的陰極相連并接于輸入電源一端，電源另一端接兩路功率因數(shù)校正電路的共同中線；第一二極管D1陰極與第一電感Lmain1另一端相連，第三二極管D3陽(yáng)極與第二電感Lmain1另一端相連；其特征是所述蓄電池接入支路包括蓄電池BATTERY、第一開(kāi)關(guān)S1、第五二極管D5，蓄電池BATTERY負(fù)極與下半路功率因數(shù)校正電路中的第三二極管D3陽(yáng)極相連，正極依次通過(guò)第一開(kāi)關(guān)S1、第五二極管D5陽(yáng)極、第五二極管D5陰極與上半路功率因數(shù)校正電路中的第一二極管D1陰極相連；所述第一、二功率開(kāi)關(guān)(Q1、Q2)除與各自的驅(qū)動(dòng)脈沖相連外，還與一個(gè)分時(shí)脈沖相連，驅(qū)動(dòng)脈沖與分時(shí)脈沖的關(guān)系是邏輯與的關(guān)系。
二單電感本電路包括上半路功率因數(shù)校正電路、下半路功率因數(shù)校正電路、整流電路和蓄電池接入支路，兩路功率因數(shù)校正電路的共同中線接電源一端；所述整流電路包括第一、三整流二極管D1、D3，所述上半路功率因數(shù)校正電路包括第一功率開(kāi)關(guān)Q1、第二二極管D2、第一電容C1和第一電感Lmain1，所述第一功率開(kāi)關(guān)Q1的正端與第二二極管D2的陽(yáng)極相連，負(fù)端與第一電容C1相連，第一電容C1的另一端與第二二極管D2的陰極相連，所述第一電感Lmain1一端通過(guò)第一二極管D1正向與第一功率開(kāi)關(guān)Q1的正端相連；下半路功率因數(shù)校正電路包括第二功率開(kāi)關(guān)Q2、第四二極管D4、第二電容C2和與上半路功率因數(shù)校正電路共用的第一電感Lmain1，第二功率開(kāi)關(guān)Q2的負(fù)端與第四二極管D4的陰極相連，正端與第二電容C2相連，第二電容C2的另一端與第四二極管D4的陽(yáng)極相連；所述第三二極管D3的陰極接第一二極管D1的陽(yáng)極，陽(yáng)極與第二功率開(kāi)關(guān)Q2負(fù)端相連；其特征是所述蓄電池接入支路包括蓄電池BATTERY、第一開(kāi)關(guān)S1、第五二極管D5、第二開(kāi)關(guān)S2，蓄電池BATTERY負(fù)極與第三二極管D3陽(yáng)極相連，正極依次通過(guò)第一開(kāi)關(guān)S1、第五二極管D5陽(yáng)極、第五二極管D5陰極與第一電感Lmain1的另一端相連，第二開(kāi)關(guān)S2一端和第五二極管D5相連，另一端接于電源另一端；所述第一、二功率開(kāi)關(guān)(Q1、Q2)除與各自的驅(qū)動(dòng)脈沖相連外，還與一個(gè)分時(shí)脈沖相連，驅(qū)動(dòng)脈沖與分時(shí)脈沖的關(guān)系是邏輯與的關(guān)系。
所述控制方法的特征是在蓄電池接入工作時(shí)，采用一個(gè)額外的分時(shí)脈沖，按一低頻周期分時(shí)控制第一、二功率開(kāi)關(guān)的交替恒定導(dǎo)通時(shí)間，使電路達(dá)到升壓功能。
由于采用了以上的方案，蓄電池的接入十分簡(jiǎn)單，只需一個(gè)開(kāi)關(guān)(接入開(kāi)關(guān))、一個(gè)二極管。當(dāng)輸入有交流電壓時(shí)，蓄電池接入開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，倍壓功率因數(shù)校正電路工作。當(dāng)輸入電源掉電時(shí)，蓄電池開(kāi)關(guān)閉合，蓄電池接入。而其控制方式也可采用簡(jiǎn)單的分時(shí)控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制方式簡(jiǎn)單。


圖1是采用高頻鏈結(jié)構(gòu)的不間斷電源方框示意圖。
圖2是其中倍壓功率因數(shù)校正電路原理圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例一的蓄電池接入原理示意圖。
圖4是分時(shí)控制方式示意圖。
圖5a、5b、5c、5d是實(shí)施例一蓄電池供電時(shí)變換器的四種可能工作狀態(tài)示意圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例二的蓄電池接入原理示意圖。
圖7a、7b、7c、7d是實(shí)施例二蓄電池供電時(shí)變換器的四種可能工作狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
實(shí)施例一、見(jiàn)圖3，雙Boost電感方案一種用于不間斷電源的前級(jí)倍壓電路，包括上半路功率因數(shù)校正電路、下半路功率因數(shù)校正電路、整流電路和蓄電池接入支路，所述上半路功率因數(shù)校正電路包括第一功率開(kāi)關(guān)Q1、第二二極管D2、第一電容C1和第一電感Lmain1，所述第一功率開(kāi)關(guān)Q1的正端與第二二極管D2的陽(yáng)極相連，負(fù)端與第一電容C1相連，第一電容C1的另一端與第二二極管D2的陰極相連，所述第一電感Lmain1一端與第一功率開(kāi)關(guān)Q1的正端相連；下半路功率因數(shù)校正電路包括第二功率開(kāi)關(guān)Q2、第四二極管D4、第二電容C2和第二電感Lmain2，第二功率開(kāi)關(guān)Q2的負(fù)端與第四二極管D4的陰極相連，正端與第二電容C2相連，第二電容C2的另一端與第四二極管D4的陽(yáng)極相連，第二電感Lmain1一端與第二功率開(kāi)關(guān)Q2的負(fù)端相連；所述整流電路包括第一、三整流二極管D1、D3，所述第一二極管D1的陽(yáng)極和第三二極管D3的陰極相連并接于輸入電源一端，電源另一端接兩路功率因數(shù)校正電路的共同中線；第一二極管D1陰極與第一電感Lmain1另一端相連，第三二極管D3陽(yáng)極與第二電感Lmain1另一端相連；其特征是所述蓄電池接入支路包括蓄電池BATTERY、第一開(kāi)關(guān)S1、第五二極管D5，蓄電池BATTERY負(fù)極與下半路功率因數(shù)校正電路中的第三二極管D3陽(yáng)極相連，正極依次通過(guò)第一開(kāi)關(guān)S1、第五二極管D5陽(yáng)極、第五二極管D5陰極與上半路功率因數(shù)校正電路中的第一二極管D1陰極相連。
由于Q1、Q2分別由兩個(gè)控制器獨(dú)立控制，若不采取適當(dāng)?shù)目刂品绞?，本電路可能不能很好的工作，因此必須采取一種新的控制方式——分時(shí)控制方式，即在蓄電池接入工作時(shí)，采用一個(gè)額外的分時(shí)脈沖，按一低頻周期分時(shí)控制第一、二功率開(kāi)關(guān)Q1、Q2的交替恒定導(dǎo)通時(shí)間，使電路達(dá)到升壓功能。其控制波形如圖4所示。
參照?qǐng)D4的分時(shí)控制驅(qū)動(dòng)波形原理圖，Vgs1和Vgs2分別為上下兩路PFC為滿足輸出穩(wěn)壓等條件，通過(guò)各自的控制電路輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖。分時(shí)控制方式就是采用一個(gè)額外的分時(shí)脈沖，如圖4中的Vshare，按一低頻周期分時(shí)控制Q1、Q2的交替恒定導(dǎo)通時(shí)間。如t1～t2控制Q1管恒定導(dǎo)通，t2～t3控制Q2管恒定導(dǎo)通。這樣恒定導(dǎo)通的那路PFC的控制電路功能被“屏蔽”，不起作用，而另一路控制電路能正常工作，故此稱這種控制方式為分時(shí)控制方式。一般Vshare的周期為工頻周期，并與逆變器輸出同步同相位，以保證輸出電容紋波的最小化。這樣真正控制開(kāi)關(guān)管的脈沖變?yōu)閳D4所示的Vgs1′和Vgs2′。顯然，Vshare脈沖和Vgs1′、Vgs2′是十分容易產(chǎn)生的，如Vshare和Vgs1邏輯與一下即產(chǎn)生Vgs1′。
當(dāng)蓄電池接入后的倍壓PFC電路工作于分時(shí)控制方式時(shí)，變換器有以下多種工作狀態(tài)，在此以[t1-t2]階段為例說(shuō)明，在其它時(shí)間段類似。
狀態(tài)1和狀態(tài)2為兩種穩(wěn)態(tài)時(shí)階段的工作狀態(tài)，即在t1-t2時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)Q1一直導(dǎo)通時(shí)電路可能的工作狀態(tài)。狀態(tài)1為Q1、Q2導(dǎo)通，D2、D4反向截止，蓄電池通過(guò)D5給L1，L2充電。狀態(tài)2為Q1導(dǎo)Q2關(guān)斷，D2反向截止，D4導(dǎo)通，蓄電池和電感能量給電容C2充電。
狀態(tài)3和狀態(tài)4為分時(shí)控制過(guò)渡時(shí)除穩(wěn)態(tài)之外還可能發(fā)生的另外兩種工作狀態(tài)，即在t2時(shí)刻，開(kāi)關(guān)Q1由一直導(dǎo)通轉(zhuǎn)為相應(yīng)控制器控制時(shí)，電路可能有四種工作狀態(tài)。狀態(tài)3為Q1、Q2斷開(kāi)，D2、D4導(dǎo)通，蓄電池和電感能量給電容C1、C2充電。狀態(tài)4為Q1斷開(kāi)、Q2閉合，D2導(dǎo)通，D4截至，蓄電池和電感能量給電容C1充電。
實(shí)施例二、見(jiàn)圖6，單Boost電感方案與實(shí)施例一不同的是，它只包括一個(gè)電感，即第一電感Lmain1，但增加第二開(kāi)關(guān)S2。所述兩路功率因數(shù)校正電路共用第一電感Lmain1。所述第一功率開(kāi)關(guān)Q1的正端與第二二極管D2的陽(yáng)極相連，負(fù)端與第一電容C1相連，第一電容C1的另一端與第二二極管D2的陰極相連，所述第一電感Lmain1一端通過(guò)第一二極管D1正向與第一功率開(kāi)關(guān)Q1的正端相連；下半路功率因數(shù)校正電路包括第二功率開(kāi)關(guān)Q2、第四二極管D4、第二電容C2和與上半路功率因數(shù)校正電路共用的第一電感Lmain1，第二功率開(kāi)關(guān)Q2的負(fù)端與第四二極管D4的陰極相連，正端與第二電容C2相連，第二電容C2的另一端與第四二極管D4的陽(yáng)極相連；所述第三二極管D3的陰極接第一二極管D1的陽(yáng)極，陽(yáng)極與第二功率開(kāi)關(guān)Q2負(fù)端相連；其特征是所迷蓄電池接入支路包括蓄電池BATTERY、第一開(kāi)關(guān)S1、第五二極管D5、第二開(kāi)關(guān)S2，蓄電池BATTERY負(fù)極與第三二極管D3陽(yáng)極相連，正極依次通過(guò)第一開(kāi)關(guān)S1、第五二極管D5陽(yáng)極、第五二極管D5陰極與第一電感Lmain1的另一端相連，第二開(kāi)關(guān)S2一端和第五二極管D5相連，另一端接于電源另一端。
對(duì)本例也采用相同的分時(shí)控制方式。其四種工作狀態(tài)分別如圖7a-7d所示。狀態(tài)1和狀態(tài)2為兩種穩(wěn)態(tài)時(shí)階段的工作狀態(tài)，即在t1-t2時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí)電路可能的工作狀態(tài)。狀態(tài)1為Q1、Q2導(dǎo)通，D2、D4反向截止，蓄電池通過(guò)D5、D1給L1充電。狀態(tài)2為Q1導(dǎo)通Q2關(guān)斷，D2反向截止，D4導(dǎo)通，蓄電池和電感能量通過(guò)D5、D1給電容C2充電。
狀態(tài)3和狀態(tài)4為分時(shí)控制過(guò)渡時(shí)可能發(fā)生的其它兩種工作狀態(tài)，即在t2時(shí)刻，開(kāi)關(guān)Q1由一直導(dǎo)通轉(zhuǎn)為相應(yīng)控制器控制時(shí)電路還可能的工作狀態(tài)。狀態(tài)3為Q1、Q2斷開(kāi)，D2、D4導(dǎo)通，蓄電池和電感能量給電容C1、C2充電。狀態(tài)4為Q1斷開(kāi)、Q2閉合，D2導(dǎo)通，D4截至，蓄電池和電感能量給電容C1充電。
權(quán)利要求
1.一種用于不間斷電源的前級(jí)倍壓電路，包括上半路功率因數(shù)校正電路、下半路功率因數(shù)校正電路、整流電路和蓄電池接入支路，所述上半路功率因數(shù)校正電路包括第一功率開(kāi)關(guān)(Q1)、第二二極管(D2)、第一電容(C1)和第一電感(Lmain1)，所述第一功率開(kāi)關(guān)(Q1)的正端與第二二極管(D2)的陽(yáng)極相連，負(fù)端與第一電容(C1)相連，第一電容(C1)的另一端與第二二極管(D2)的陰極相連，所述第一電感(Lmain1)一端與第一功率開(kāi)關(guān)(Q1)的正端相連；下半路功率因數(shù)校正電路包括第二功率開(kāi)關(guān)(Q2)、第四二極管(D4)、第二電容(C2)和第二電感(Lmain2)，第二功率開(kāi)關(guān)(Q2)的負(fù)端與第四二極管(D4)的陰極相連，正端與第二電容(C2)相連，第二電容(C2)的另一端與第四二極管(D4)的陽(yáng)極相連，第二電感(Lmain1)一端與第二功率開(kāi)關(guān)(Q2)的負(fù)端相連；所述整流電路包括第一、三整流二極管(D1、D3)，所述第一二極管(D1)的陽(yáng)極和第三二極管(D3)的陰極相連并接于輸入電源一端，電源另一端接兩路功率因數(shù)校正電路的共同中線；第一二極管(D1)陰極與第一電感(Lmain1)另一端相連，第三二極管(D3)陽(yáng)極與第二電感(Lmainl)另一端相連；其特征是所述蓄電池接入支路包括蓄電池(BATTERY)、第一開(kāi)關(guān)(S1)、第五二極管(D5)，蓄電池(BATTERY)負(fù)極與下半路功率因數(shù)校正電路中的第三二極管(D3)陽(yáng)極相連，正極依次通過(guò)第一開(kāi)關(guān)(S1)、第五二極管(D5)陽(yáng)極、第五二極管(D5)陰極與上半路功率因數(shù)校正電路中的第一二極管(D1)陰極相連；所述第一、二功率開(kāi)關(guān)(Q1、Q2)除與各自的驅(qū)動(dòng)脈沖相連外，還與一個(gè)分時(shí)脈沖相連，驅(qū)動(dòng)脈沖與分時(shí)脈沖的關(guān)系是邏輯與的關(guān)系。
2.一種用于不間斷電源的前級(jí)倍壓電路，包括上半路功率因數(shù)校正電路、下半路功率因數(shù)校正電路、整流電路和蓄電池接入支路，兩路功率因數(shù)校正電路的共同中線接電源一端；所述整流電路包括第一、三整流二極管(D1、D3)，所述上半路功率因數(shù)校正電路包括第一功率開(kāi)關(guān)(Q1)、第二二極管(D2)、第一電容(C1)和第一電感(Lmain1)，所述第一功率開(kāi)關(guān)(Q1)的正端與第二二極管(D2)的陽(yáng)極相連，負(fù)端與第一電容(C1)相連，第一電容(C1)的另一端與第二二極管(D2)的陰極相連，所述第一電感(Lmain1)一端通過(guò)第一二極管(D1)正向與第一功率開(kāi)關(guān)(Q1)的正端相連；下半路功率因數(shù)校正電路包括第二功率開(kāi)關(guān)(Q2)、第四二極管(D4)、第二電容(C2)和與上半路功率因數(shù)校正電路共用的第一電感(Lmain1)，第二功率開(kāi)關(guān)(Q2)的負(fù)端與第四二極管(D4)的陰極相連，正端與第二電容(C2)相連，第二電容(C2)的另一端與第四二極管(D4)的陽(yáng)極相連；所述第三二極管(D3)的陰極接第一二極管(D1)的陽(yáng)極，陽(yáng)極與第二功率開(kāi)關(guān)(Q2)負(fù)端相連；其特征是；所述蓄電池接入支路包括蓄電池(BATTERY)、第一開(kāi)關(guān)(S1)、第五二極管(D5)、第二開(kāi)關(guān)(S2)，蓄電池(BATTERY)負(fù)極與第三二極管(D3)陽(yáng)極相連，正極依次通過(guò)第一開(kāi)關(guān)(S1)、第五二極管(D5)陽(yáng)極、第五二極管(D5)陰極與第一電感(Lmain1)的另一端相連，第二開(kāi)關(guān)(S2)一端和第五二極管(D5)相連，另一端接于電源另一端；所述第一、二功率開(kāi)關(guān)(Q1、Q2)除與各自的驅(qū)動(dòng)脈沖相連外，還與一個(gè)分時(shí)脈沖相連，驅(qū)動(dòng)脈沖與分時(shí)脈沖的關(guān)系是邏輯與的關(guān)系。
3.一種用于上述不間斷電源的控制方法，其特征是在蓄電池接入工作時(shí)，采用一個(gè)額外的分時(shí)脈沖，按一低頻周期分時(shí)控制第一、二功率開(kāi)關(guān)(Q1、Q2)的交替恒定導(dǎo)通時(shí)間，使電路達(dá)到升壓功能。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用于不間斷電源的前級(jí)倍壓電路及其控制方法,所述電路包括上半路功率因數(shù)校正電路、下半路功率因數(shù)校正電路和蓄電池接入支路,蓄電池接入支路包括蓄電池、第一開(kāi)關(guān)、第五二極管,蓄電池負(fù)極與下半路功率因數(shù)校正電路相連,正極依次通過(guò)第一開(kāi)關(guān)、第五二極管陽(yáng)極、第五二極管陰極與上半路功率因數(shù)校正電路相連。其控制方法是按一低頻周期分時(shí)控制第一、二功率開(kāi)關(guān)的交替恒定導(dǎo)通時(shí)間。本發(fā)明的蓄電池接入方式元器件少,電路對(duì)稱,控制簡(jiǎn)單、可靠。
文檔編號(hào)H02J7/00GK1336709SQ01125170
公開(kāi)日2002年2月20日 申請(qǐng)日期2001年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月26日
發(fā)明者張華建 申請(qǐng)人:深圳市安圣電氣有限公司