專利名稱：一種不間斷電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不間斷電源。
背景技術(shù)：
如圖1所示，現(xiàn)有的不間斷電源(UPS) —般都包括交流電能輸入、直流電源、可控開關(guān)、升壓模塊和逆變模塊，可控開關(guān)被配置用于以有選 擇地將交流電能輸入或直流電源中連接到升壓模塊上，升壓模塊用于將輸 入電壓升壓并輸出至逆變模塊，逆變模塊用于將升壓模塊輸出的電壓變換成交流電壓輸出。現(xiàn)有的直流電源包括兩組電池VI、 V2，這兩組電池分 別負(fù)責(zé)電池模式下的正相和負(fù)相供電。而升壓模塊包括兩組電感L1、 L2， 兩個開關(guān)管Q1、 Q2，兩個二極管D5、 D6，電容C1、 C2。現(xiàn)有的逆變模 塊多采用半橋逆變拓?fù)?，包括功率開關(guān)管Q3、 Q4、電感L3、電容C3。這種不間斷電源的不足之處在于需要設(shè)置兩組電池和兩組電感，這 將導(dǎo)致UPS整機成本大幅提高。因為電感L1在正相時工作，在負(fù)相時不 工作；電感L2在負(fù)相時工作，在正相時不工作，電感利用率低。當(dāng)UPS 的輸出功率較大的時候，Ql、 Q2需要幾個管子并聯(lián)使用，因功率管的開 關(guān)時間及特性不可能完全一致，功率管不能做到很好的均流，這可能會降 低整個系統(tǒng)的可靠性。在220V交流輸出系統(tǒng)中，母線電壓需要提升到大 約士400K，采用半橋逆變拓?fù)涞哪孀兡K，功率開關(guān)管Q3、 Q4需要采用 耐壓1200V的管子，耐壓1200V的管子成本高；采用1200V耐壓的管子 后開關(guān)頻率不能太高，濾波體積大，成本高；此外逆變模塊采用半橋逆變 拓?fù)洌孀兡K工作在兩電平狀態(tài)，電壓紋波大，濾波體積大，成本高； 逆變模塊在電感L3續(xù)流期間，會對母線電容充電，使母線電容上的電壓 波動更大甚至失控，需要另外提供母線電壓平衡措施。例如正相工作期 間Q3導(dǎo)通時，電容C1給電感L3充電；Q3關(guān)斷時，電感L3經(jīng)過C3、 C2、 D4放電，該放電電流會給C2充電，而正相工作期間，母線電容C2 是不受控制的，從而使C2上的電壓波動更大。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明就是為了現(xiàn)有技術(shù)需要兩組電池、兩組電感帶來的高成本的不 足，提出了一種成本較低的不間斷電源。本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決 一種不間斷電源， 包括交流電能輸入、直流電源、可控開關(guān)、升壓模塊和逆變模塊，所述可 控開關(guān)被配置用于有選擇地將交流電能輸入或直流電源中連接到升壓模塊 上，所述升壓模塊用于將輸入電壓升壓并輸出至逆變模塊，所述逆變模塊 用于將升壓模塊輸出的電壓變換成交流電壓輸出，所述直流電源由 一組電 池構(gòu)成，所述升壓模塊包括一電感、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第一電容、 第二電容、整流管、第三二極管、第四二極管和用于在交流電負(fù)相狀態(tài)時 阻止電流流過第一開關(guān)管的第十二二極管；所述電感輸入端與交流電能輸 入的火線和直流電源正極耦合，其輸出端與整流管第一端相連并與第一開 關(guān)管的第一端耦合；所述第三二極管第一端與第一開關(guān)管第一端相連，所 述第三二極管第二端經(jīng)第一電容、第二電容、第四二極管與直流電源負(fù)極 相連；所述交流電能輸入的零線與第一開關(guān)管的第二端、第二開關(guān)管的第 一端耦合并連接到第一電容和第二電容之間，所述第二開關(guān)管、和整流管 的第二端都與直流電源負(fù)極相連。優(yōu)選地，所述第十二二極管陽極與所述整流管第一端相連，其陰極與 第一開關(guān)管第一端相連。所述第十二二極管陽極與第一開關(guān)管第二端相連，其陰極與第二開關(guān) 管第一端相連。所述整流管包括二極管或包括帶體內(nèi)二極管的功率場效應(yīng)晶體管或包括帶體內(nèi)二極管的絕緣柵雙極晶體管。所述升壓模塊有至少兩個，每個升壓模塊之間交錯并聯(lián)。 所述逆變模塊有至少兩個，每個逆變模塊之間交錯并聯(lián)。 所述逆變模塊有三個，每個逆變模塊之間并聯(lián)，且各個逆變模塊分別引出一輸出端，用于實現(xiàn)不間斷電源的三相輸出。 所述逆變模塊為三電平逆變拓?fù)?。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是本發(fā)明只需要使用一組電池和 電感，即可實現(xiàn)不間斷供電，本發(fā)明大大降低了不間斷電源的成本。本發(fā) 明的逆變模塊采用三電平逆變拓?fù)?，可以降低器件?yīng)力，降低濾波體積， 提高整機效率，降低料本。另外，采用三電平逆變電路，通過控制，在電 感續(xù)流期間，續(xù)流電流不會對母線電容充電，與半橋逆變電路相比，不需要其他措施來防止母線電壓不平衡。本發(fā)明通過交錯并聯(lián)升壓模塊和逆變模塊，可以增大UPS的輸出功率，減小母線電壓紋波。


圖l是現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明具體實施方式
一的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明具體實施方式
一在第一階段的電流流向示意圖； 圖4是本發(fā)明具體實施方式
一在第二階段的電流流向示意圖； 圖5是本發(fā)明具體實施方式
一在第三階段的電流流向示意圖； 圖6是本發(fā)明具體實施方式
一在第四階段的電流流向示意圖； 圖7是本發(fā)明具體實施方式
一在第五階段的電流流向示意圖； 圖8是本發(fā)明具體實施方式
一在第六階段的電流流向示意圖； 圖9是本發(fā)明具體實施方式
一在第七階段的電流流向示意圖； 圖IO是本發(fā)明具體實施方式
一在第八階段的電流流向示意圖； ,圖11是本發(fā)明具體實施方式
二的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖12是本發(fā)明具體實施方式
三的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖13是本發(fā)明具體實施方式
四的結(jié)構(gòu)示意圖； ,圖14是本發(fā)明具體實施方式
五的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖15是本發(fā)明具體實施方式
六的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面通過具體的實施方式并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。
具體實施方式
一如圖2所示， 一種不間斷電源(UPS)，包括交流電能輸入、直流電源、 可控開關(guān)、升壓模塊和逆變模塊，所述可控開關(guān)被配置用于以有選擇地將 交流電能輸入或直流電源中連接到升壓模塊上，所述升壓模塊用于將交流 電能輸入或直流電源提供的輸入電壓進行升壓并輸出至逆變模塊，所述逆 變模塊用于將升壓模塊輸出的電壓變換成交流電壓輸出。所述直流電源由 一組電池BAT構(gòu)成，所述升壓模塊包括一電感L1、第一開關(guān)管Q1、第二 開關(guān)管Q2、第一電容C1、第二電容C2、整流管Dll、第十二二極管D12、 第三二極管D3和第四二極管D4。所述整流管為二極管。所述第十二二極 管D12用于在交流電負(fù)相狀態(tài)時阻止電流流過第一開關(guān)管Ql。所述整流 管D11為二極管。所述開關(guān)管可以是功率場效應(yīng)管、絕緣柵雙極型晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱IGBT)或其他可控器件。所述可控開關(guān)包括第一開關(guān)S1、第二開關(guān)S2。所述第一開關(guān)S1、第 二開關(guān)S2可以是繼電器，也可以是可控半導(dǎo)體器件，通過控制第一開關(guān) Sl、第二開關(guān)S2的開通、閉合可以有選擇地將交流電能輸入或直流電源 中連接到升壓模塊上，即進行市電工作模式和電池工作模式的切換。所述逆變模塊可為三電平逆變拓?fù)?、半橋逆變拓?fù)浠蚱渌瑑?yōu)選三電 平逆變拓?fù)?。?b>具體實施方式
中逆變模塊為三電平逆變拓?fù)?，這個逆變模 塊與正直流母線、負(fù)直流母線和中線連接。逆變模塊包括第五開關(guān)管Q5、 第六開關(guān)管Q6、第七開關(guān)管Q7、第八開關(guān)管Q8、第九二極管D9、第十 二極管DIO、第三電感L3、第三電容C3。所述第五開關(guān)管Q5和第七開關(guān) 管Q7互補工作，第六開關(guān)管Q6和第八開關(guān)管Q8互補工作。采用三電平 逆變拓?fù)涞哪孀兡K與現(xiàn)有的半橋拓?fù)湎啾?，?20VAC輸出系統(tǒng)可以使 用600V耐壓的功率管(MOSFET或IGBT)，這樣可以提高開關(guān)頻率，從 而減小輸出LC濾波器的體積，同時降低濾波器的成本。如圖2所示，在 正相工作期間第六開關(guān)管Q6恒通，第五開關(guān)管Q5導(dǎo)通時，電容C1給 電感L3充電；第五開關(guān)管Q5關(guān)斷時，電感L3上的電流通過第三電容C3、 第九二極管D9、第六開關(guān)管Q6續(xù)流，該續(xù)流電流不會對母線電容充電， 因此采用三電平逆變電路時，母線電容電壓波動較小。所述電感Ll輸入端A與交流電能輸入的火線I/P_L和直流電源BAT 正極耦合，電感L1輸出端B與整流管D11陰極、第十二二極管D12陽極 相連。所述整流管D11陽極與直流電源負(fù)極相連。所述第十二二極管D12 陰極與第一開關(guān)管Ql漏極、第三二極管D3陽極相連。所述第一開關(guān)管 Q1源極與交流電能輸入的零線N、第二開關(guān)管Q2漏極相連。第三二極管 D3陽極依次與第一電容C1和第二電容C2、第四二極管D4陽極相連。第 四二極管D4陰極與直流電源負(fù)極相連。所述第二開關(guān)管Q2與第一開關(guān)管 Ql源極的漏極相連，第二開關(guān)管Q2源極與直流電源負(fù)極相連。所述交流 電能輸入的零線N連接到第一開關(guān)管Ql的源極、第二開關(guān)管Q2漏極之 間，交流電能輸入的零線N還連接到第一開關(guān)管Q1的源極、第二開關(guān)管 Q2漏極之間第一端耦合并連接到第一電容Cl和第二電容C2之間。所述 第一開關(guān)管Ql和第二開關(guān)管Q2的柵極(控制端)外接脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,簡稱PWM)控制信號。上述不間斷電源的工作原理如下當(dāng)UPS處于市電模式下時，即交流 電能輸入正常時(此時第一開關(guān)Sl閉合，第二開關(guān)S2斷開)，直流電源不工作，交流電能輸入被連接到升壓模塊上。當(dāng)UPS處于電池模式下時， 即交流電能輸入異常(此時第一開關(guān)S1斷開，第二開關(guān)S2閉合)時，交 流電能輸入不工作，直流電源工作，直流電源被連接到升壓模塊上。下面 將做詳細(xì)分析。在交流市電正相工作狀態(tài)第一階段:如圖3所示，第一開關(guān)管Ql和第二開關(guān)管Q2工作在PWM 狀態(tài)。在一個開關(guān)周期內(nèi)，第一開關(guān)管Q1閉合，第二開關(guān)管Q2斷開，電 流路徑為由交流電能輸入的火線I/P一L流經(jīng)第一開關(guān)S1、電感L1、第十 二二極管D12、第一開關(guān)管Q1，再回到交流電能輸入的零線N。在此過程 電感L1被充電。第二階段如圖4所示，第一開關(guān)管Q1和第二開關(guān)管Q2都斷開，電 流路徑為由交流電能輸入的火線I/PJ^流經(jīng)第一開關(guān)S1、電感L1、第十二 二極管D12、第三二極管D3、第一電容C1，再回到交流電能輸入的零線 N。在此過程中交流電能疊加電感L1上存儲的電能對第一電容C1充電， 使第一電容C1的電壓達(dá)到正直流母線電壓。在交流市電負(fù)相工作狀態(tài)第三階段如圖5所示，第一開關(guān)管Q1斷開、第二開關(guān)管Q2閉合， 電流路徑為由交流電能輸入的零線N流經(jīng)第二開關(guān)管Q2、整流管Dll、 電感L1，再回到交流電能輸入的火線I/PJ^ 。在此過程電感L1被充電。第四階段如圖6所示，第二開關(guān)管Q2斷開，電流路徑為由交流電 能輸入的零線N流經(jīng)第二電容C2、第四二極管D4、第一二極管Dll、電 感L1，再回到交流電能輸入的火線I/P_L 。在此過程中第二開關(guān)管Q2工 作在PWM狀態(tài)，交流電能通過電感L1對第二電容C2充電。在電池正相工作狀態(tài)第五階段:如圖7所示，第一開關(guān)管Ql和第二開關(guān)管Q2工作在PWM 狀態(tài)。在一個開關(guān)周期內(nèi)，第一開關(guān)管Q1、第二開關(guān)管Q2都閉合，電流 路徑為由直流電源的電池正極流經(jīng)第二開關(guān)、電感Ll、第十二二極管 D12、第一開關(guān)管Ql、第二開關(guān)管Q2，再回到電池負(fù)極。在此過程電感 Ll被充電。第六階段如圖8所示，第一開關(guān)管Q1斷開、第二開關(guān)管Q2閉合， 電流路徑為由直流電源的電池正極流經(jīng)第一開關(guān)Sl、電感Ll、第十二 二極管D12、第三二極管D3、第一電容C1、第二開關(guān)管Q2，再回到電池負(fù)極。在此過程中直流電源疊加電感L1上存儲的電能對第一電容C1充電， 使第一電容C1的電壓維持正直流母線電壓。 在電池負(fù)相工作狀態(tài)第七階段如圖9所示，第一開關(guān)管Q1、第二開關(guān)管Q2都閉合，電流路徑為由直流電源的電池正極流經(jīng)第二開關(guān)、電感L1、第十二二極管D12、第一開關(guān)管Ql、第二開關(guān)管Q2，再回到電池負(fù)極。在此過程電感 Ll被充電。第八階段如圖IO所示，第一開關(guān)管Q1閉合、第二開關(guān)管Q2斷開，電流路徑為由直流電源的電池正極流經(jīng)第一開關(guān)Sl、電感L1、第十二二極管D12、第一開關(guān)管Q1、第二電容C2、第四二極管D3，再回到電池 負(fù)極。在此過程中直流電源疊加電感L1上存儲的電能對第二電容C2充電， 使第一電容C2的電壓維持負(fù)直流母線電壓。逆變模塊的工作是通過鎖相實現(xiàn)的，所述逆變模塊將第一、二電容上 的正、負(fù)母線直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓輸出，其動作原理此處不再贅述。 本具體實施方式
采用三電平逆變拓?fù)?，可以減小母線電容上的電壓紋波。
具體實施方式
二如圖11所示，本具體實施方式
與具體實施方式
一的不同之處在于改 變了第十二二極管D12的位置，在本具體實施方式
中第十二二極管D12 被挪到了第一開關(guān)管Q1源極與第二開關(guān)管Q2漏極之間。g卩第十二二極 管D12的陽極與第一開關(guān)管Ql源極相連，第十二二極管D12陰極與第二 開關(guān)管Q2漏極和交流電能輸入的零線N相連。這樣，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管Ql 關(guān)斷、第三二極管D3導(dǎo)通時，可以節(jié)省一個二極管損耗。
具體實施方式
三如圖12所示，本具體實施方式
與具體實施方式
二的不同之處在于整 流管用帶體二極管的功率場效應(yīng)管(MOS)或帶體二極管的絕緣柵雙極型 晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱IGBT)來代替。在市電模 式下，所述晶體管Qll的體內(nèi)二極管Dll作為整流二極管使用；在電池模 式下，通過控制Qll的開通、關(guān)閉實現(xiàn)對電感L1進行充放電，與圖11中 通過控制第一開關(guān)管Ql和第二開關(guān)管Q2的通斷對電感Ll充放電相比， 可以再節(jié)省一個MOS管的損耗。
具體實施方式
四如圖13所示，本具體實施方式
與具體實施方式
一的不同之處在于本具體實施方式
中升壓模塊有兩個，每個升壓模塊之間交錯并聯(lián)。每一升壓 模塊的工作原理均與具體實施方式
一中的升壓模塊的工作原理相同，但本具體實施方式
中的各個升壓模塊之間以一定的相位錯開工作。若兩個升壓 模塊進行交錯并聯(lián)，則每一升壓模塊之間錯開180度相位運行；若三個升 壓模塊進行交錯并聯(lián)，則每一升壓模塊之間錯開120度運行，依此類推。 本具體實施方式
可以增大輸出功率，這樣每一個升壓模塊內(nèi)的開關(guān)管都可 以只采用單管，減小了功率管并聯(lián)使用的可靠性問題。顯然，這種交錯并 聯(lián)可以擴展到3個、4個......n個升壓模塊交錯并聯(lián)。采用交錯并聯(lián)技術(shù)后，在電感紋波電流相等的條件下，與不交錯方案相比，可以降低輸入電流總 的紋波電流，從而減小了輸入EMI濾波器的體積，不間斷電源的成本也得 到進一步降低。
具體實施方式
五如圖14所示，本具體實施方式
與具體實施方式
一的不同之處在于本具體實施方式
中逆變模塊有兩個，每個逆變模塊之間交錯并聯(lián)。顯然，也 可將3個、4個......n個逆變模塊進行交錯并聯(lián)。本具體實施方式
可以增大輸出功率的容量。
具體實施方式
六如圖15所示，本具體實施方式
與具體實施方式
一的不同之處在于本具體實施方式
中逆變模塊有三個，每個逆變模塊之間并聯(lián)，且各個逆變模 塊分別引出一輸出端，用于實現(xiàn)不間斷電源的三相輸出。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細(xì)說 明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若 干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種不間斷電源，包括交流電能輸入、直流電源、可控開關(guān)、升壓模塊和逆變模塊，所述可控開關(guān)被配置用于有選擇地將交流電能輸入或直流電源中連接到升壓模塊上，所述升壓模塊用于將輸入電壓升壓并輸出至逆變模塊，所述逆變模塊用于將升壓模塊輸出的電壓變換成交流電壓輸出，其特征在于所述直流電源由一組電池(BAT)構(gòu)成，所述升壓模塊包括一電感(L1)、第一開關(guān)管(Q1)、第二開關(guān)管(Q2)、第一電容(C1)、第二電容(C2)、整流管(D11)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)和用于在交流電負(fù)相狀態(tài)時阻止電流流過第一開關(guān)管(Q1)的第十二二極管(D12)；所述電感(L1)輸入端與交流電能輸入的火線和直流電源正極耦合，其輸出端與整流管(D11)第一端相連并與第一開關(guān)管(Q1)的第一端耦合；所述第三二極管(D3)第一端與第一開關(guān)管(Q1)第一端相連，所述第三二極管(D3)第二端經(jīng)第一電容(C1)、第二電容(C2)、第四二極管(D4)與直流電源負(fù)極相連；所述交流電能輸入的零線與第一開關(guān)管(Q1)的第二端、第二開關(guān)管(Q2)的第一端耦合并連接到第一電容(C1)和第二電容(C2)之間，所述第二開關(guān)管(Q2)的第二端和整流管(D11)的第二端都與直流電源負(fù)極相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的不間斷電源，其特征在于所述第十二二極管 (D12)陽極與所述整流管(D11)第一端相連，其陰極與第一開關(guān)管(Ql)第一端相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的不間斷電源，其特征在于所述第十二二極管 (D12)陽極與第一開關(guān)管(Ql)第二端相連，其陰極與第二開關(guān)管(Q2)第一端相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的不間斷電源，其特征在于所述整流管(D11) 包括二極管或包括帶體內(nèi)二極管的功率場效應(yīng)晶體管或包括帶體內(nèi)二極 管的絕緣柵雙極晶體管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的不間斷電源，其特征在于所述整流管(D11) 包括二極管或包括帶體內(nèi)二極管的功率場效應(yīng)晶體管或包括帶體內(nèi)二極 管的絕緣柵雙極晶體管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l-5任一所述的不間斷電源，其特征在于所述升壓模塊 有至少兩個，每個升壓模塊之間交錯并聯(lián)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-5任一所述的不間斷電源，其特征在于所述逆變模塊 有至少兩個，每個逆變模塊之間交錯并聯(lián)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l-5任一所述的不間斷電源，其特征在于所述逆變模塊 有三個，每個逆變模塊之間并聯(lián)，且各個逆變模塊分別引出一輸出端，用 于實現(xiàn)不間斷電源的三相輸出。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l-5任一所述的不間斷電源，其特征在于所述逆變模塊 為三電平逆變拓?fù)洹?br> 全文摘要
本發(fā)明公開一種不間斷電源，包括交流電能輸入、直流電源、可控開關(guān)、升壓模塊和逆變模塊，直流電源由一組電池構(gòu)成，升壓模塊包括一電感、第一、二開關(guān)管、第一、二電容、整流管、第三、四二極管和用于在交流電負(fù)相狀態(tài)時阻止電流流過第一開關(guān)管的第十二二極管；電感輸入端與火線和直流電源正極耦合，其輸出端與整流管第一端相連并與第一開關(guān)管的第一端耦合；第三二極管第一端與第一開關(guān)管第一端相連，其第二端經(jīng)第一電容、第二電容、第四二極管與直流電源負(fù)極相連；零線與第一開關(guān)管的第二端、第二開關(guān)管的第一端耦合并連接到第一電容和第二電容之間，第二開關(guān)管、和整流管的第二端與直流電源負(fù)極相連。本發(fā)明只需要使用一組電池和電感，成本低。
文檔編號H02J7/00GK101232191SQ200710125028
公開日2008年7月30日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者恒 余, 羅永昌 申請人:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司