后備電源系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及后備電源系統(tǒng)。在一個實施例中，后備電源處理器單元(200)包括：第一AC輸入線(313)；第一AC輸出線和第二AC輸出線(315、316)；中線(314)；第一DC電壓母線和第二DC電壓母線(311、312)；第一半橋電路、第二半橋電路、第三半橋電路(301、302、303)；以及一系列控制器(208)。本發(fā)明還涉及一種用于控制所述后備電源處理器單元(200)的方法。
【專利說明】后備電源系統(tǒng)
[0001]本申請是申請日為2006年9月11日、發(fā)明名稱為“后備電源系統(tǒng)”的專利申請200680052389.8的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種后備電源處理器單元，包括:第一 AC輸入線，其包括第一電感并且連接到AC電源；第一 AC輸出線，其包括第二電感并且連接到關(guān)鍵負載；第二 AC輸出線，其連接到所述關(guān)鍵負載；中線，其連接到中性端口 ；連接到DC電源的第一 DC電壓母線和第二DC電壓母線；插在第一DC電壓母線和第二DC電壓母線之間的電容器；第一半橋電路，其包括第一開關(guān)和第二開關(guān)，其中所述第一開關(guān)連接在所述第一 AC輸入線和所述第一 DC電壓母線之間，而所述第二開關(guān)連接在所述第一AC輸入線和所述第二DC電壓母線之間；第二半橋電路，其包括第三開關(guān)和第四開關(guān)，其中所述第三開關(guān)連接在所述第一 AC輸出線和所述第一 DC電壓母線之間，而所述第四開關(guān)連接在所述第一 AC輸出線和所述第二 DC電壓母線之間；第三半橋電路，其包括第五開關(guān)和第六開關(guān)，其中所述第五開關(guān)連接在所述中線和所述第一 DC電壓母線之間，而所述第六開關(guān)連接在所述中線和所述第二 DC電壓母線之間。處理器還包括用于控制所述開關(guān)的一系列控制器，其中所述一系列控制器使用脈寬調(diào)制來控制至少所述第一開關(guān)到第四開關(guān)。本發(fā)明還涉及一種用于操作所述后備電源處理器的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]后備電源處理器一般應用在電信產(chǎn)業(yè)中，以確保向諸如電信運營商的中心局等關(guān)鍵應用連續(xù)傳送AC電能。
[0004]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的一般公知結(jié)構(gòu)，該公知結(jié)構(gòu)包括一系列變換器。在該結(jié)構(gòu)中，第一變換器101是AC/DC變換器,它具有第一 AC輸入端和第一 DC輸出端。所述第一 AC輸入端包括第一 AC輸入線119和中線120。所述第一 AC輸入線119連接到單相AC電源，而所述中線120連接到中性端口。第二變換器102是DC/AC變換器，它具有第一 DC輸入端和第一 AC輸出端,所述第一 AC輸出端包括第一 AC輸出線121和第二中線122。所述第一AC輸出線121連接到關(guān)鍵負載108，而所述第二中線122連接到中線。第三變換器103是DC/DC變換器，它具有第二 DC輸入端和第二 DC輸出端，所述第二 DC輸入端連接到DC電源。第四變換器104是另一個DC/DC變換器，它具有第三DC輸入端和第三DC輸出端。第一 DC輸出端連接到第三DC輸入端，第三DC輸出端連接到第二 DC輸入端，而第二 DC輸出端連接到第一 DC輸入端。
[0005]第二變換器102連接到第三變換器103，從而一起形成逆變器100b，而第一變換器101連接到第四變換器104，從而一起形成整流器100a。通常，將電池106用作DC電源，并因此將電池106連接在整流器IOOa的輸出端和逆變器IOOb的輸入端之間。開關(guān)單元105包括開關(guān)105a和105b以及用于控制這些開關(guān)的微控制器105c，預知所述開關(guān)單元105能夠在電源處理器(由整流器IOOa和逆變器IOOb形成)的連接和線纜107的連接之間進行切換。這里，利用一個電阻來表示關(guān)鍵負載108。實際上，關(guān)鍵負載可以由多個并聯(lián)連接到處理器的單元形成。
[0006]圖1所示的這種已知結(jié)構(gòu)的問題在于效率較低。從單相AC電源到關(guān)鍵負載，電流需要通過四個變換器和一個開關(guān)。通過該電路獲得的效率一般在80%左右。當關(guān)鍵負載由DC電源供電時，電流需要通過兩個變換器和一個開關(guān)，這產(chǎn)生了 90%數(shù)量級的效率。
[0007]美國專利4，709，318公開了一種可替換結(jié)構(gòu)，它只包括三個變換器，這三個變換器是第一變換器、第二變換器和第三變換器，其中第一變換器是具有第一 AC輸入端和第一DC輸出端的AC/DC變換器，第二變換器是具有第一 DC輸入端和第一 AC輸出端的DC/AC變換器，以及第三變換器是具有第二 DC輸入端和第二 DC輸出端的DC/DC變換器。在現(xiàn)有技術(shù)的這種可替換結(jié)構(gòu)中，第一 AC輸入端連接到AC電源，第一 AC輸出端連接到關(guān)鍵負載，第二 DC輸入端連接到DC電源，第一 DC輸出端和第二 DC輸出端兩者連接到兩條DC電壓母線，它們又連接到第一 DC輸入端。利用這種結(jié)構(gòu)，電流僅需要通過AC電源和關(guān)鍵負載之間的兩個變換器。然而，在該公開中，第一變換器和第二變換器使得DC電壓母線之間的電壓比較高，即400V DC電壓獲得120V的RMS AC輸出電壓。這種高電壓需要相應增加變換器的元件的尺寸，這增加了成本同時降低了效率和可靠性。
[0008]美國專利申請公開US2005/0162137A1公開了一種包括獨立權(quán)利要求的前序部分的特征的后備電源處理器。具體而言，該后備電源處理器包括:三條AC相輸入線，每條AC相輸入線包括電感并且連接到三相AC電源；三條AC相輸出線，每條AC相輸出線包括另一個電感并且連接到關(guān)鍵負載；第一中線；連接到DC電源的第一 DC電壓母線和第二 DC電壓母線；插在第一 DC電壓母線和第二 DC電壓母線之間的電容器；以及對應于所述三條AC相輸入線、三條AC相輸出線和第一中線中的每一條的半橋電路。每個半橋電路包括一個連接在對應的AC相輸入端、AC相輸出端或中線與第一 DC電壓母線之間的開關(guān)和另一個連接在同一對應的AC相輸入端、AC相輸出端或中線與第二 DC電壓母線之間的開關(guān)。該結(jié)構(gòu)還包括一系列控制器，其使用脈寬調(diào)制來控制所有開關(guān)。在操作上，使用脈寬調(diào)制來控制與三條AC相輸入線相對應的半橋電路，從而利用三相AC輸入在第一 DC電壓母線上產(chǎn)生幾乎連續(xù)的正電壓，并在第二 DC電壓母線上產(chǎn)生幾乎連續(xù)的負電壓。只控制與第一中線相對應的半橋電路來補償在第一 DC電壓母線和第二 DC電壓母線上的較小電壓波動，該半橋電路的兩個開關(guān)僅閉合非常小百分比的時間并且采用短脈沖。因此，該結(jié)構(gòu)中的第一中線僅作為“O”伏特軸工作。該設(shè)備的主要目的是產(chǎn)生零序列，以減小三相輸出端上的諧波電壓。這些結(jié)構(gòu)和控制方法除了只適用于三相AC電源外，還需要第一 DC電壓母線和第二 DC電壓母線之間具有相當高的DC電壓，即對于277V的輸出線-中線電壓，需要高達862V的DC電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的主要目的在于提供一種后備電源處理器和一種操作所述后備電源處理器的方法，該后備電源處理器適用于單相AC電源并且至少在利用單相AC電源向關(guān)鍵負載供電時，該后備電源處理器具有更高的效率，同時具有高利用率和高品質(zhì)的電壓供應，并且消除了與高DC電壓有關(guān)的缺陷。
[0010]為此，后備電源處理器單元還包括第四半橋電路，該第四半橋電路包括第七開關(guān)和第八開關(guān)，其中所述第七開關(guān)連接在第二 AC輸出線和第一 DC電壓母線之間，而所述第八開關(guān)連接在第二 AC輸出線和第二 DC電壓母線之間，所述一系列控制器用于在\in的周期的第一半的至少50%的時間段&內(nèi)，優(yōu)選在至少95%的時間段內(nèi)打開第五開關(guān)并且閉合第六開關(guān)，以及還用于在\in的所述周期的第二半的至少50%的時間段t2內(nèi)，優(yōu)選在至少95%的時間段內(nèi)閉合第五開關(guān)并打開第六開關(guān)。優(yōu)選地，所述一系列控制器還用于在\_的周期的第一半的至少50%的時間段t/內(nèi)，優(yōu)選在至少95%的時間段內(nèi)打開第七開關(guān)并閉合第八開關(guān)，以及用于在\wt的所述周期的第二半的至少50%的時間段t2’內(nèi)，優(yōu)選在至少95%的時間段內(nèi)閉合第三開關(guān)并打開第四開關(guān)。該裝置在第二 AC輸出線上產(chǎn)生電壓vN,0Ut,該電壓VN，wt與火。ut在周期上反相。結(jié)果，負載的兩個連接之間的電壓Vkjad的幅值是火_與\_之和。利用AC電源，可以得到90%數(shù)量級的效率。另外，該電路具有較少的部件，從而與現(xiàn)有技術(shù)的電路相比，該電路得到了簡化。另一個重大意義在于:它同時允許(無諧波的)正弦輸入電流(這時輸出端上的非線性關(guān)鍵負載由正弦電壓供電)和非正弦電流(具有電流諧波)。這確保了同時對AC輸入電壓和AC輸出電流進行諧波濾波。當在輸入(AC電源)和(關(guān)鍵負載上的)輸出之間出現(xiàn)小的相移并且在輸入和輸出之間出現(xiàn)小的電壓差的情況下，它也能夠正常運行。
[0011]可選地，中線直接連接到第二 AC輸出線，并且后備電源處理器還包括連接在中線和第三半橋電路之間的電感，所述一系列控制器用于在\in的周期的第一半的至少50%的時間段^內(nèi)，優(yōu)選在至少95%的時間段內(nèi)打開第五開關(guān)并且閉合第六開關(guān)，以及用于在\in的所述周期的第二半的至少50%的時間段t2ft，優(yōu)選在至少95%的時間段內(nèi)閉合第五開關(guān)并打開第六開關(guān)。該第二實施例也產(chǎn)生了在周期上與Vuwt反相的\_。盡管在這個更加簡化的裝置中它不能改變頻率和\ out相對于in的相移，但是減少了部件的數(shù)量進一步增加了可靠性和效率，其中該效率可以達到95%左右。
[0012]有利地，分別在 和t2之間的時間段t3和在V和t2’之間的時間段V內(nèi)，對第五開關(guān)和第六開關(guān)和/或第七開關(guān)和第八開關(guān)進行脈寬調(diào)制，從而\wt呈現(xiàn)了至少它的第一導數(shù)和第二導數(shù)的連續(xù)性。這提高了部件的壽命和輸出清潔度。
[0013]優(yōu)選地，所述一系列控制器包括一個控制器單元。與每個變換器的各個控制器相t匕，這允許更加有效、容易地管理能量流，而不需要添加額外的部件來管理各個控制器之間的通信。
[0014]優(yōu)選地，后備電源處理器單元還包括連接到第一 DC電壓母線和第二 DC電壓母線的DC/DC變換器，該DC/DC變換器用于將所述第一 DC電壓母線和第二 DC電壓母線連接到所述DC電源上。這允許使用的DC電源具有的電壓與兩條DC電壓母線之間的電壓不同，通常低于兩條DC電壓母線之間的電壓。
[0015]在特定的實施例中，DC/DC變換器是雙向的。這使得可以將根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備用作整流器，其中電流將從AC輸入端流到DC電源，從而對其進行再充電。
[0016]有利地，第一開關(guān)、第二開關(guān)、第五開關(guān)和第六開關(guān)是功率雙向的，并且所述一系列控制器用于使所述第一半橋電路反向運行，從而將兩條DC電壓母線之間的DC電壓轉(zhuǎn)換成第一 AC輸入線上的AC電壓。這允許將根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備用作從DC電源輸入端提供能量到AC電源的裝置?？梢詫⒀卦摲较虻碾娏髁鲃舆\用在例如光電池應用中，其中當關(guān)鍵負載不使用該電池產(chǎn)生的能量時，將該電池所產(chǎn)生的能量反饋回AC電源。
[0017]如果第三開關(guān)、第四開關(guān)以及第七開關(guān)和第八開關(guān)(如果設(shè)置的話)是功率雙向的，并且所述一系列控制器還使所述第二半橋電路反向運行，從而將第一 AC輸出線和第二AC輸出線之間的AC電壓轉(zhuǎn)換成兩條DC電壓母線之間的DC電壓，那么這是更有利的。這允許從關(guān)鍵負載回收能量，以將其返回到AC電源和/或DC電源，其原理可以應用到電梯系統(tǒng)中。
[0018]優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的后備電源處理器包括多個并聯(lián)連接的后備電源處理器單元，每個后備電源處理器單元包括根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的第一變換器、第二變換器和第三變換器。這能夠保證連續(xù)操作不會因一個單元故障而無法繼續(xù)進行，并且不存在單點故障兀件，例如圖1的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備中的開關(guān)105a。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的特定實施例的設(shè)備能夠抑制下列兩個負面效應，這兩個負面效應同時出現(xiàn)并且存在于如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備中。第一，當經(jīng)過開關(guān)105b和線纜107供電時，可能會出現(xiàn)干擾，這是由于向關(guān)鍵負載提供了未經(jīng)濾波的功率引起的。第二，當向關(guān)鍵的非線性負載供電時，在AC電源上產(chǎn)生諧波電流。這會導致由施加于AC電源上的諧波電流而引起的AC電源電壓的品質(zhì)惡化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]通過對附圖的說明，其它細節(jié)和優(yōu)點將變得清楚。
[0021]圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的后備電源處理器的典型結(jié)構(gòu)；
[0022]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的后備電源處理器單元的第一實施例；
[0023]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的后備電源處理器單元的所述第一實施例的一部分；
[0024]圖4示出了使用脈寬調(diào)制的電壓轉(zhuǎn)換；
[0025]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的后備電源處理器單元的輸出電壓的實例；
[0026]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的后備電源處理器單元的輸出電壓的另一個實例；
[0027]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的后備電源處理器的第二實施例；
[0028]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的后備電源處理器的所述第二實施例的一部分；以及
[0029]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的后備電源處理器的另一實施例，它具有若干個并聯(lián)的單
J Li ο
【具體實施方式】
[0030]在本發(fā)明的第一實施例中，如圖2所示，電源處理器單元200包括第一變換器201，該第一變換器201包括連接到AC電源205的AC輸入端。該變換器用于將例如AC RMS為230V的AC功率轉(zhuǎn)換成例如350 — 400V DC的DC功率。該第一變換器的DC輸出端連接到第二變換器202的DC輸入端。第二變換器202用于將DC功率轉(zhuǎn)換成例如230V的AC RMS的AC功率，然后將該AC功率提供給關(guān)鍵負載204。當需要從AC電源205提供功率時，使用由第一變換器和第二變換器形成的通路。
[0031]電源處理器單元200還用于從諸如電池等DC電源206接收功率，該DC電源206提供例如48V DC的DC功率。由于第二變換器的DC輸入端通常具有相當高的電壓，因此電源處理器單元200還將包括第三變換器203，該第三變換器203包括連接到DC電源206的DC輸入端、以及DC輸出端。第三變換器203優(yōu)選是隔離的變換器(如雙對角線所示)，但是在某些應用中第三變換器203可以不被隔離。根據(jù)本發(fā)明并且如圖2所示，這個DC輸出端連接到第一變換器201的DC輸出端和第二變換器的DC輸入端。當需要從DC電源206提供功率時，使用由第三變換器和第二變換器形成的通路。
[0032]電容器207設(shè)置在第一變換器201的輸出端和第二變換器202的輸入端之間，并且起到能量存儲單元的作用。微控制器或控制器208連接到三個變換器201、202和203中的每一個上，用于向每個變換器傳送指令。微控制器還連接到通信輸出端209。
[0033]圖3更加詳細地示出了根據(jù)本發(fā)明的所述第一實施例的電源處理器的第一變換器201和第二變換器202。第一變換器201包括第一半橋電路301和第三半橋電路303，這兩個半橋電路都連接在第一 DC電壓母線311和第二 DC電壓母線312之間。第一半橋電路301包括第一開關(guān)301a和第二開關(guān)301b，所述第一開關(guān)301a連接在包括第一電感313i的AC輸入線313與第一 DC電壓母線311之間，而所述第二開關(guān)301b連接在AC輸入線313和第二 DC電壓母線312之間。第三半橋電路303包括第五開關(guān)303a和第六開關(guān)303b，所述第五開關(guān)303a連接在中線314和第一 DC電壓母線311之間，而所述第六開關(guān)303b連接在中線314和第二 DC電壓母線312之間。第二變換器202包括第二半橋電路302和第四半橋電路304，這兩個半橋電路也連接在第一 DC電壓母線311和第二 DC電壓母線312之間。第二半橋電路302包括第三開關(guān)302a和第四開關(guān)302b，所述第三開關(guān)302a連接在包括電感315i的第一 AC輸出線315和第一 DC電壓母線311之間，而所述第四開關(guān)302b連接在第一 AC輸出線315和第二 DC電壓母線312之間。第四半橋電路304包括第七開關(guān)304a和第八開關(guān)304b，所述第七開關(guān)304a連接在第二 AC輸出線316和第一 DC電壓母線311之間，而所述第八開關(guān)304b連接在第二 AC輸出線316和第二 DC電壓母線312之間。然后，將DC/DC變換器203和電容器207連接到位于第一變換器201和第二變換器202之間的第
一DC電壓母線311和第二 DC電壓母線312。
[0034]為了將AC電源的基本為正弦的周期性電壓轉(zhuǎn)換成在第一 DC電壓母線311和第二DC電壓母線312之間的連續(xù)電壓，以及將所述連續(xù)電壓轉(zhuǎn)換回在第一 AC輸出線315和第
二AC輸出線316之間的周期性電壓，微控制器208使用脈寬調(diào)制(PWM)來控制至少第一半橋電路301和第二半橋電路302的開關(guān)。脈寬調(diào)制使用方波，對該方波的工作周期(dutycycle)進行調(diào)制以使得波形的平均值產(chǎn)生變化。通過切換具有近似工作周期的電壓，該輸出將接近于具有適當電平的電壓，如圖4所示。第一電感和第二電感3131、315i和電容器207對開關(guān)噪聲進行衰減。方波的工作周期遠遠短于輸入AC電壓或輸出AC電壓的正弦波的工作周期，方波的工作周期一般是微秒數(shù)量級(例如，20微秒)，而典型50Hz的AC電壓的工作周期是20ms。
[0035]當?shù)谝?AC輸入線313連接到單相AC電源時，在第一 AC輸入線313上建立了可變的周期性電壓\in，VL；in大致為正弦波。該AC電壓\in的頻率是fMn，因此周期時間是I/fL，in，幅值是 \inPeak。Vuinpeak 例如可以是 325V，對應于 230V 的 RMS AC 電壓 \inEMS，而 fV，in例如可以是50Hz。在\in的每個周期的第一半期間，控制器使第五開關(guān)303a打開，同時第六開關(guān)303b閉合，從而將第二 DC電壓母線312連接到中線314，并且對第一半橋電路301進行脈寬調(diào)制，以將第一 AC輸入線313上的可變正電壓轉(zhuǎn)換成在第一 DC電壓母線311上的連續(xù)電壓+Vb。在\in的每個周期的第二半期間，控制器閉合第五開關(guān)303a，同時第六開關(guān)303b打開，從而將第一 DC電壓母線311連接到中線314，并且對第一半橋電路301進行脈寬調(diào)制，以將第一 AC輸入線313上的可變負電壓轉(zhuǎn)換成在第二 DC電壓母線312上的連續(xù)電壓-vb。結(jié)果，在第一 DC電壓母線311與第二 DC電壓母線312之間，產(chǎn)生基本連續(xù)的電壓差2Vb。第一電感313i對第一開關(guān)和第二開關(guān)301a、301b的開關(guān)噪聲進行濾波。
[0036]在第二半橋電路302中，第三開關(guān)302a和第四開關(guān)302b分別將第一 DC電壓母線311和第二 DC電壓母線312連接到第一 AC輸出線315，并且對第三開關(guān)302a和第四開關(guān)302b進行脈寬調(diào)制，從而在第一 AC輸出線上產(chǎn)生接近于正弦的周期性電壓\_，頻率是fL,0Ut,幅值\wtPeak接近于Vb，相對于Vun的相移是Δφ。第二電感315i對第三開關(guān)和第四開關(guān)302a、302b的開關(guān)噪聲進行濾波。
[0037]在本發(fā)明的后備電源處理器的第一實施例中，如圖3所示，在的每個周期的第一半的至少一部分期間，第七開關(guān)304a打開，并且在第二半的至少一部分期間閉合。反之，在第一半的至少一部分期間，第八開關(guān)304b閉合，而在第二半的至少一部分期間第八開關(guān)304b打開。結(jié)果，在第二 AC輸出線316上產(chǎn)生反相的周期性電壓Vliout。
[0038]圖5示出了輸出電壓\_、￥1^和^(1的一個周期。在第七開關(guān)304a打開而第八開關(guān)304b閉合的第一半周期的至少95%的時間段t/期間，VN；0Ut基本恒定并且等于_Vb。在第七開關(guān)304a閉合而第八開關(guān)304b打開的第二半周期的至少95%的時間段t2’期間，νΝ，_基本恒定并且等于+Vb。在t/與t2’之間的過渡時間段t/期間，優(yōu)選對該第四半橋電路304進行脈寬調(diào)制，以確保-Vb和+Vb之間的平滑過渡，反之亦然。類似的過渡時間段還出現(xiàn)在t2’與t/之間。理想地，Vn,_的一階導數(shù)和二階導數(shù)都是連續(xù)的。時間段h’和t2’中的每一個都可以是連續(xù)的，或者分別被分成第一半周期或第二半周期的若干段。它們還可以以\_的峰值為中心，如圖所示，或者相反，它們相對于這些峰值超前或延遲，并且具有相 同或不同的長度。
[0039]當VN，wt與在周期上反相時，提供給關(guān)鍵負載的輸出電壓VlMd(VN,0Ut-VL,0Ut)近似為\wt的幅值的兩倍，如圖5所示。這允許利用第一 DC電壓母線311與第二 DC電壓母線312之間的相當中等的DC電壓差2Vb來產(chǎn)生相當高的輸出電壓VlMd。如果VN，wt基本是方形或梯形的，那么優(yōu)選采用第二半橋電路302的脈寬調(diào)制，使得具有經(jīng)校正的正弦形狀，其與結(jié)合產(chǎn)生更加接近于正弦的Vltjad (νΝ，_-\_)，如圖5所示。
[0040]取決于V和t2’的長度，-Vb和+Vb之間的νΝ，_的斜率變得或多或少顯著，從而產(chǎn)生了更加方形或梯形的波形，這可以通過比較圖5和圖6看出，圖6對應于可選的方案，其中t/和t2’中的每一個都小于每個半周期的95%，但至少是每個半周期的75%。如果第二半橋電路302被脈寬調(diào)制而產(chǎn)生了正弦波形的\_，那么νΝ，_的這種大致方形或梯形的波形將導致Vltjad的波形失真。由于這個原因，控制第二半橋電路302，使得\_遵循經(jīng)校正的正弦波，如圖5和圖6所示。盡管可以改為在整個周期內(nèi)對第四半橋電路304進行脈寬調(diào)制，從而產(chǎn)生不會使\_失真的正弦νΝ，_，但是與僅在整個周期內(nèi)對第二半橋電路302進行脈寬調(diào)制相比(作為代替，具有經(jīng)校正的正弦波)，它的能效相當?shù)?。t/和、’之間的過渡時間段越短，Vuout的波形的校正就會越大。另一方面，t/和t2’之間的更短過渡時間段的優(yōu)點在于:限制了第四半橋電路304的切換次數(shù)，相應的優(yōu)點是效率更高、產(chǎn)生的無線干擾更低等。
[0041]特別有利的是使用該方法來控制第三半橋電路303和第四半橋電路304。然而,還可以僅利用該方式控制器它們中的一個。
[0042]圖7和圖8示出了本發(fā)明的后備電源處理器的簡化的第二實施例。在該第二實施例中，使第二半橋電路302與第一半橋電路301同步，使得Vyut與\in具有基本相同的頻率和相位，或者，甚至更精確而言，二者具有相同的頻率和相位。由于第三半橋電路303被控制成使得在\in的周期的第一半期間中線314連接到第二 DC電壓母線312，并且因此在該實施例中，同樣適用于\_，中線314在同一周期的第二半連接到第一 DC電壓母線311，作為代替，這允許省略第一實施例中的第四半橋電路304并且將第二 AC輸出線316直接連接到中線314。然而，在該實施例中，必須將第三阻抗314i插在中線314和第三半橋電路303之間，以便對第五開關(guān)303a和第六開關(guān)303b的開關(guān)噪聲進行濾波。
[0043]如圖7所示，這形成了一個具有電容器207的AC/DC/AC變換器701。
[0044]在該第二實施例中，同樣以圖5或圖6所示的方式控制第三半橋電路303，其中分別在第一半周期的至少95%和至少75%的時間段^內(nèi)，打開第五開關(guān)303a而閉合第六開關(guān)303b，使得VN，wt基本恒定并且等于_Vb。分別在第二半周期的至少95%和至少75%的時間段t2內(nèi)，閉合第五開關(guān)303a而打開第六開關(guān)303b，使得νΝ，_基本恒定并且等于+Vb。在h和t2之間的過渡時間段t3期間，優(yōu)選對該第三半橋電路304進行脈寬調(diào)制，以確保-Vb和+Vb之間的平滑過渡，反之亦然。理想地，VN，wt的一階導數(shù)和二階導數(shù)都是連續(xù)的。時間段h和t2中的每一個都可以是連續(xù)的或者分別被分成第一半周期或第二半周期的若干段。它們還可以以\wt的峰值為中心，如圖所示，或者相反，它們相對于這些峰值超前或延遲，并且它們可以具有相同或不同的長度。
[0045]如圖3和圖8所示，保護裝置305優(yōu)選設(shè)置在第一 DC電壓母線311和第二 DC電壓母線312中之一上、DC電源206的相應連接210或211的上游上、以及電容器207的上游上。保護裝置305特別包括保險絲，并且允許在第一半橋電路301斷開時使用DC電源206并且可能使電容器207 上的DC電壓短路。
[0046]第一實施例和第二實施例兩者中的DC/DC變換器203可以是雙向的，這樣允許將功率從DC電壓母線311、312引導回DC電源206，例如對用作DC電源206的電池進行再充電。
[0047]第一實施例的第一變換器201和第二變換器202以及第二實施例的AC/DC/AC變換器701也可以是功率雙向的，這允許從關(guān)鍵負載204和/或DC電源206回收電能。為此，形成這些第一變換器和第二變換器的半橋電路的開關(guān)自身必須是功率雙向的，并且所述一系列控制器208必須能夠使這些變換器201和/或202或203反向運行。特別地，半橋電路的開關(guān)可以是具有反并聯(lián)二極管的IGBT開關(guān)。
[0048]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的處理器的實施例，包括并聯(lián)連接的多個處理器單元
200a,200b,......、200i。處理器單元200a,200b,......、200i中的每一個都具有圖2或圖7
所示的結(jié)構(gòu)。通信總線300連接這些處理器單元的通信輸出端209。因此，這些處理器單元的微控制器互連，以允許第一 AC輸出同步并且允許對單元之間的負載分配進行組織。單元之間的同步和負載分配的原理對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的，因此不需要對其詳細描述。優(yōu)選地，如圖9所示，通信總線包括單元之間的雙重連接，以在其中一個連接故障時提供冗余備份。替代線纜連接，還可以想到使用IR或HF技術(shù)的無線連接，特別是藍牙技術(shù)。還可以想到一個連接是線纜，而另一個連接是無線連接。
[0049]如所應該意識到的那樣，在不脫離所附權(quán)利要求的保護范圍的前提下可以想到各種修改。例如，代替為每個處理器單元提供一個微控制器(如圖2所示)，可以想到為每個變換器201、202和203提供一個微控制器，并且在這些控制器之間具有通信裝置。然而，每個處理器單元僅具有一個控制器是有利的，這是因為它不需要手段來確保同一處理器單元的控制器之間的正確通信。如附圖所示出的，重要的是三個變換器在一個點匯集:電容器207處的DC母線。
【權(quán)利要求】
1.一種后備電源處理器單元(200)，包括: a)第一AC輸入線(313)，其包括第一電感(313i)并且連接到具有周期性電壓\in的AC電源； b)第一AC輸出線(315)，其包括第二電感(315i)并且連接到關(guān)鍵負載(204)； c)第二AC輸出線(316)，其連接到所述關(guān)鍵負載(204)； d)中線(314)，其連接到中性端口； e)連接到DC電源(206)的第一DC電壓母線和第二 DC電壓母線(311、312)； f)直接插在所述第一DC電壓母線和所述第二 DC電壓母線(311、312)之間的單個電容器(207)； g)第一半橋電路(301)，其 包括第一開關(guān)(301a)和第二開關(guān)(301b)，其中所述第一開關(guān)(301a)連接在所述第一 AC輸入線(313)和所述第一 DC電壓母線(311)之間，而所述第二開關(guān)(301b)連接在所述第一 AC輸入線(313)和所述第二 DC電壓母線(312)之間； h)第二半橋電路(302)，其包括第三開關(guān)(302a)和第四開關(guān)(302b)，其中所述第三開關(guān)(302a)連接在所述第一 AC輸出線(315)和所述第一 DC電壓母線(311)之間，而所述第四開關(guān)(302b)連接在所述第一 AC輸出線(315)和所述第二 DC電壓母線(312)之間； i)第三半橋電路(303)，其包括第五開關(guān)(303a)和第六開關(guān)(303b)，其中所述第五開關(guān)(303a)連接在所述中線(314)和所述第一 DC電壓母線(311)之間，而所述第六開關(guān)(303b)連接在所述中線(314)和所述第二 DC電壓母線(312)之間； j) 一系列控制器(208)，其用于控制所述開關(guān)(301a、……、303b)，其中所述一系列控制器(208)使用脈寬調(diào)制來控制至少所述第一開關(guān)到所述第四開關(guān)(301a、……、302b)，以將\in轉(zhuǎn)換成所述第一 DC電壓母線和所述第二 DC電壓母線(311、312)上的兩個不同的基本連續(xù)的電壓+Vb、_Vb，并且將所述兩個不同的基本連續(xù)的電壓+Vb、-Vb轉(zhuǎn)換成所述第一 AC輸出線(315)上的周期性電壓； 并且其特征在于，它還包括: k)連接在所述中線(314)與所述第五開關(guān)和所述第六開關(guān)(303a、303b)之間的第三電感(314i)； 其特征在于，所述第二 AC輸出線(316)直接連接到所述中線(314)； 其特征在于，所述一系列控制器(208 )用于同步所述第一半橋電路和所述第二半橋電路(301、302)，使得Vuin和具有基本相同的相位和頻率，并且 其特征在于，所述一系列控制器(208)還用于在\in的周期的第一半的至少50%的時間段A內(nèi)，優(yōu)選在至少95%的時間段內(nèi)打開所述第五開關(guān)(303a)并閉合所述第六開關(guān)(303b)，以及還用于在\in的所述周期的第二半的至少50%的時間段七2內(nèi)，優(yōu)選在至少95%的時間段內(nèi)閉合所述第五開關(guān)(303a)并打開所述第六開關(guān)(303b)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的后備電源處理器單元(200)，其特征在于，所述一系列控制器(208)還用于在&和t2之間的過渡時間段t3內(nèi)對所述第五開關(guān)(303a)和所述第六開關(guān)(303b)進行脈寬調(diào)制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的后備電源處理器單元(200)，其特征在于，所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)(302a、302b)是雙向的，并且所述一系列控制器(208)還用于使所述第二半橋電路(302)反向運行，從而將所述第一 AC輸出線和所述第二 AC輸出線(315、316)之間的AC電壓轉(zhuǎn)換成兩條所述DC電壓母線(311、312)之間的DC電壓。
4.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的后備電源處理器單元(200)，其特征在于，所述一系列控制器(208)包括一個控制器單元。
5.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的后備電源處理器單元(200)，還包括連接到所述第一DC電壓母線和所述第二 DC電壓母線(311、312)的DC/DC變換器(203)，以將所述第一 DC電壓母線和所述第二 DC電壓母線(311、312)連接到所述DC電源(206)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的后備電源處理器單元(200)，其特征在于，所述DC/DC變換器(203)是雙向的。
7.根據(jù)前述任一項權(quán)利要 求所述的后備電源處理器單元(200)，其特征在于，所述第一開關(guān)、所述第二開關(guān)、所述第五開關(guān)和所述第六開關(guān)(301a、301b、303a、303b)是雙向的，并且所述一系列控制器用于使所述第一半橋電路(301)反向運行，從而將兩條所述DC電壓母線(311、312)之間的DC電壓轉(zhuǎn)換成所述第一 AC輸入線(313)上的AC電壓。
8.一種后備電源處理器系統(tǒng)，其包括多個根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的后備電源處理器單元(200a、……200i)，并且這些后備電源處理器單元(200a、……200i)并聯(lián)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的后備電源處理器系統(tǒng)，還包括通信裝置，具體而言至少包括一個單元間通信總線(300 )，其連接到每個后備電源處理器單元(200a、……、200i )的所述控制器。
10.一種用于控制后備電源處理器單元(200)的方法，所述后備電源處理器單元(200)包括: a)第一AC輸入線(313)，其包括第一電感(313i)并且連接到具有周期性電壓\in的AC電源； b)第一AC輸出線(315)，其包括第二電感(315i)并且連接到關(guān)鍵負載(204)； c)第二AC輸出線(316)，其連接到所述關(guān)鍵負載(204)； d)中線(314)，其連接到中性端口； e)連接到DC電源(206)的第一DC電壓母線和第二 DC電壓母線(311、312)； f)直接插在所述第一DC電壓母線和所述第二 DC電壓母線(311、312)之間的單個電容器(207)； g)第一半橋電路(301)，其包括第一開關(guān)(301a)和第二開關(guān)(301b)，其中所述第一開關(guān)(301a)連接在所述第一 AC輸入線(313)和所述第一 DC電壓母線(311)之間，而所述第二開關(guān)(301b)連接在所述第一 AC輸入線(313)和所述第二 DC電壓母線(312)之間； h)第二半橋電路(302)，其包括第三開關(guān)(302a)和第四開關(guān)(302b)，其中所述第三開關(guān)(302a)連接在所述第一 AC輸出線(315)和所述第一 DC電壓母線(311)之間，而所述第四開關(guān)(302b)連接在所述第一 AC輸出線(315)和所述第二 DC電壓母線(312)之間； i)第三半橋電路(303)，其包括第五開關(guān)(303a)和第六開關(guān)(303b)，其中所述第五開關(guān)(303a)連接在所述中線(314)和所述第一 DC電壓母線(311)之間，而所述第六開關(guān)(303b)連接在所述中線(314)和所述第二 DC電壓母線(312)之間，所述第二 AC輸出線(316)直接連接到所述中線(314)，并且所述后備電源處理器單元還包括連接在所述中線(314)與所述第五開關(guān)和所述第六開關(guān)(303a、303b)之間的第三電感(314i)； 其特征在于，所述方法包括下列步驟:j)對所述第一半橋電路(301)進行脈寬調(diào)制，以將\in轉(zhuǎn)換成所述第一 DC電壓母線和所述第二 DC電壓母線(311、312)上的兩個不同的基本連續(xù)的電壓+Vb、_Vb，并且對所述第二半橋電路(302)進行脈寬調(diào)制，以將所述兩個不同的基本連續(xù)的電壓+Vb、-Vb轉(zhuǎn)換成所述第一 AC輸出線(315)上的周期性電壓； 并且其特征在于，它還包括下列步驟: k)在\in的周期的第一半的至少50%的時間段&內(nèi)，優(yōu)選在至少95%的時間段內(nèi)打開所述第五開關(guān)(303a)并閉合所述第六開關(guān)(303b);以及 I)在\in的所述周期的第二半的至少50%的時間段12內(nèi)，優(yōu)選在至少95%的時間段內(nèi)閉合所述第五開關(guān)(303a)并打開所述第六開關(guān)(303b)。
11.根據(jù)權(quán)利要求 10所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟:在h和t2之間的過渡時間段t3內(nèi)，對所述第五開關(guān)(303a)和所述第六開關(guān)(303b)進行脈寬調(diào)制。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述第一半橋電路和第二半橋電路(301、302)被同步，使得\ in和\ out具有基本相同的相位和頻率。
【文檔編號】H02J9/06GK103956824SQ201410105217
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2006年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2006年1月5日
【發(fā)明者】P·布勒 申請人:建筑電子與通信公司