用於不間斷電源控制的系統和方法

2023-09-18 16:10:55 2

專利名稱：用於不間斷電源控制的系統和方法
技術領域：
本發明的實施方案一般地涉及不間斷電源電壓和電流控制。更明確地說，至少一 個實施方案涉及不間斷電源反相器的預計的電壓或預計的電流控制。
背景技術：
不間斷電源(UPS)用來把可靠的電力提供給許多不同類型的電子設備。時常，這 電子的設備需要來自UPS的特定的電壓和/或電流輸入。UPS功率輸出的意外變動可能損 害用電設備，導致生產力的損失而且可能需要昂貴的維修或更換用電元件。圖1提供把穩定功率和備用功率提供給負荷140的典型的在線UPS 100的方框 圖。類似於圖1所示者的UPS可從WestKingston，RI.的美國能量變換公司(APC)購買。 UPS 100包括整流器/升壓轉換器110、反相器120、控制器130和電池150。UPS有輸入112 和114分別與交流電源的輸入線和中性線連接而且有輸出116和118提供通向負荷140的 輸出線和中性線。在線路操作模式中，在控制器130的控制下，整流器/升壓轉換器110接受輸入的 交流電壓並且以輸出線121和122相對於公用線124提供正的和負的直流輸出電壓。在電 池操作模式中，在失去輸入的交流功率之時，整流器/升壓轉換器110產生來自電池150的 直流電壓。公用線124可能被接到輸入中性線114和輸出中性線118上以便通過UPS 100 提供連續的中性線。反相器120接受來自整流器/升壓轉換器110的直流電壓並且以線路 116和118提供輸出交流電壓。現有的用來控制UPS功率輸出的方案利用比例積分型電壓和電流控制器，有超前 滯後補償器補償數字落實的計算延遲。然而，這種類型的UPS功率控制並非沒有缺點，因為 這些控制系統通常屬於複雜且昂貴的設計。

發明內容
在此揭示的系統和方法控制不間斷電源對負荷的分配。為了提高效率，預計的電 壓控制和預計的電流控制管理UPS輸出電壓和/或電流。這將改善可靠性和降低成本。此 外，減少總的諧波畸變輸出水平是令人想要的。本發明的至少一個方面指向使用不間斷電 源把功率分配給負荷的方法。不間斷電源包括輸出反相器和濾波器，而濾波器包括電感線 圈和電容器。將脈寬調製控制信號應用於輸出反相器，而電感線圈電流將在第一抽樣時間 和在第二抽樣時間被定期地抽取子樣。第一抽樣時間的電感線圈電流將與第一抽樣時間的 參考電流進行比較，而脈寬調製控制信號的工作循環將被調整以便將第二抽樣時間的電感 線圈電流向實質上等於第一抽樣時間的參考電流的值驅動，而且不間斷電源的輸出電壓將 被應用於負荷。本發明的至少一個其它方面指向不間斷電源。該不間斷電源包括輸出反相器和濾 波器，而該濾波器包括電感線圈和電容器。不間斷電源包括配置成把脈寬調製控制信號應 用於輸出反相器並且在第一抽樣時間和第二抽樣時間定期地抽取電感線圈電流子樣的處
7理器。該處理器被進一步配置成將第一抽樣時間的電感線圈電流與第一抽樣時間的參考電 流進行比較。脈寬調製控制信號的工作循環通過調整把第二抽樣時間的電感線圈電流向實 質上等於第一抽樣時間的參考電流的值驅動，而且不間斷電源把輸出電壓應用於負荷。在本發明的至少一個其它方面中，不間斷電源包括配置成接受脈寬調製控制信號 的輸入模塊。該不間斷電源包括有輸出反相器和濾波器的控制模塊和與輸入模塊和脈寬調 制控制信號兩者耦合響應該脈寬調製控制信號把輸出功率提供給負荷的輸出模塊。該不間 斷電源包括用來調整脈寬調製控制信號的工作循環把通過電感線圈的電流向實質上等於 某時段的參考電流值的值驅動的裝置，其中所述時段小於或等於與脈寬調製控制信號相關 聯的載波信號的開關周期時段。這些方面的各種不同的實施方案可能包括在第一抽樣時間在電容器兩端抽取電 壓子樣並且至少部分地根據第一抽樣時間的電容器電壓和電感線圈電流獲得第一抽樣時 間的參考電流。在實施方案中，第一抽樣時間的參考電流在第二抽樣時間的電感線圈電流 值的10%之內，而不間斷電源的電感線圈電流可能供應給負荷。在各種不同的實施方案中， 第一抽樣時間是在與脈寬調製控制信號相關聯的載波信號的第一峰值的10%之內的時間， 第二抽樣時間是在載波信號的第二峰值的10%之內的時間。第一和第二峰值可能是載波信 號的相繼峰值，而工作循環的調整可能每次在載波信號波谷的10%之內開始。在實施方案 中，參考電流是通過實現部份地基於電容器電壓的預計的電壓控制和部份地基於電感線圈 電流的預計的電流控制的任何組合確定的。在一個實施方案中，調整工作循環將第二抽樣 時間的電容器電壓向等於第一抽樣時間的參考電壓的值驅動。在一個實施方案中，應用脈 寬調製控制信號、定期地抽取電感線圈電流子樣、把電感線圈電流與參考電流進行比較、調 整工作循環和應用輸出電壓是由處理器完成的而且是在儲存在計算機可讀的媒體之中由 處理器運行的程序中實現的。此外，在各種不同的實施方案中都將諧波畸變從輸出反相器 濾掉。在此揭示的系統和方法的其它方面和優勢通過結合附圖僅僅作為範例舉例說明 本發明的原則的下列詳細描述將變得明顯。


這些附圖不打算依比例繪製。在這些附圖中，在各種不同的附圖中舉例說明的每 個同一的或幾乎同一的組成部分是用相似的數字表現的。為了清楚，並非每個組成部分可 能在每幅附圖中都被分標註出來。在這些附圖中圖1是舉例說明不間斷電源處於工作狀態的功能方框圖；圖2是舉例說明在工作狀態下把功率分配給負荷的方法的流程圖；圖3是舉例說明不間斷電源處於工作狀態的功能方框圖；圖4是舉例說明來自工作狀態下不間斷電源的非線性負荷電流輸出的曲線圖；圖5是舉例說明工作狀態下不間斷電源的輸出反相器的電路圖；圖6是舉例說明與工作狀態下不間斷電源相關聯的控制信號脈衝的曲線圖；圖7是舉例說明在工作狀態期間不間斷電源的反相器輸出電壓的電路圖；圖8是舉例說明在不間斷電源工作狀態期間在轉換周期內電感線圈電流變化的 開關圖9是舉例說明工作狀態下不間斷電源的電路圖；圖10是舉例說明工作狀態下不間斷電源的替代電路圖；圖11是舉例說明工作狀態下不間斷電源濾波器的電感線圈電流變化的曲線圖；圖12是舉例說明不間斷電源濾波器在工作狀態下抽樣的電感線圈電流的曲線 圖；圖13是舉例說明工作狀態下不間斷電源的預計的電流控制的方框圖；圖14是舉例說明工作狀態下不間斷電源的電感線圈電流跟蹤的曲線圖；圖14a是舉例說明工作狀態下不間斷電源的電感線圈電流跟蹤的曲線圖；圖15是舉例說明工作狀態下不間斷電源濾波器的電路圖；圖16是舉例說明工作狀態下不間斷電源的預計的電壓控制的方框圖；圖17是舉例說明工作狀態下不間斷電源的電容器電壓跟蹤的曲線圖；圖17a是舉例說明工作狀態下不間斷電源的電容器電壓跟蹤的曲線圖；圖18是舉例說明工作狀態下不間斷電源的預計的電流控制和預計的電壓控制的 方框圖；圖19是舉例說明工作狀態下不間斷電源的輸出電容器電壓和負荷電流的曲線 圖；圖20是舉例說明工作狀態下不間斷電源的負荷電流的曲線圖；圖21是舉例說明用於工作狀態下不間斷電源的負荷電流推斷法的曲線圖；圖22是舉例說明用於工作狀態下不間斷電源的負荷電流推斷法的曲線圖；圖23是舉例說明包括負荷電流推斷法的工作狀態下不間斷電源的預計的電流控 制和預計的電壓控制的方框圖在；圖24是舉例說明工作狀態下不間斷電源的電容器參考電壓的曲線圖；圖25是舉例說明工作狀態下不間斷電源的電容器參考電壓的曲線圖；而圖26是舉例說明工作狀態下不間斷電源的包括負荷電流推斷法和均方根電壓校 正在內的預計的電流控制和預計的電壓控制的方框圖。
具體實施例方式這項發明在其應用方面不局限於在下列的描述中陳述的和在附圖中舉例說明的 組成部分的構造和安排的細節。本發明能夠有其它實施方案和以各種不同的方式實踐或實 施。本發明的至少一個實施方案在，舉例來說，圖1的不間斷電源中，提供改良的對負 荷的功率分配。然而，本發明的實施方案不局限於供不間斷電源使用，而是通常可以用於其 它的電源或其它的系統。如用於舉例說明的附圖所示，本發明可以體現在使用不間斷電源把功率分配給負 荷的系統和方法之中。這些系統和方法能調整脈衝寬度控制信號的工作循環改變輸出功 率、電壓和/或電流。在此揭示的系統和方法的實施方案考慮到諧波畸變的濾除。簡單扼要地說，圖2是依照本發明的一個實施方案描繪把功率分配給負荷的方法 200的流程圖。在操作模式中，方法200包括帶輸出反相器和濾波器的不間斷電源，而濾 波器包括電感線圈和電容器。在一個實施方案中，方法200包括把控制信號應用於輸出反相器的行為(ACT205)。在一個實施方案中，這個應用行為(ACT205)能包括產生脈寬調製 (PWM)控制信號的脈寬調製信號發生器。諸如PWM控制信號之類的控制信號可能是，舉例 來說，其工作循環被調製從而導致波形平均值變化的方波。在各種不同的實施方案中，應 用PWM控制信號(ACT205)包括把控制信號輸入輸出反相器。舉例來說，應用PWM控制信號 (ACT205)可能包括產生或接收所產生的PWM控制作信號並且把該PWM控制信號傳送到輸出 反相器。在這個說明性實施方案中，輸出反相器接收足以使輸出反相器能夠操作的控制信 號。在一個實施方案中，當PWM控制信號應用於輸出反相器的時候(ACT205)，電流流 過輸出反相器。這個反相器輸出電流可能被稱為電感線圈電流，而且在這個範例中，被輸入 濾波器，例如包括電感線圈和電容器的低通濾波器。繼續討論這個說明性的實施方案，方法 200可能包括定期抽取電感線圈電流子樣的行為(ACT210)。定期抽取電感線圈電流子樣 (ACT210)包括，舉例來說，在第一抽樣時間抽取電感線圈電流子樣和在第二抽樣時間抽取 電感線圈電流子樣。定期抽取電感線圈電流子樣(ACT210)可能包括在第一抽樣時間和在 第二抽樣時間測量或接受在與PWM控制信號相關聯的載波信號的峰值期間輸出反相器的 電感線圈電流的指示。在一個實施方案中，這包括在抽樣時間[即在或作為替代在載波信 號峰值的10%之內]抽取電感線圈電流子樣(ACT210)。然而，人們將領會到電感線圈電流 可能是在載波信號波形的任何瞬間被抽樣的(ACT210)，包括在或接近載波信號峰值、載波 信號波谷的時間，或在後續載波信號峰值之間的任何瞬間。在一種操作模式中，方法200包括在第一抽樣時間抽取電容器電壓子樣的行為 (ACT215)。抽取電容器電壓子樣(ACT215)的電容器通常是與濾波器相關聯的電容器。抽 取電容器電壓子樣(ACT215)通常包括及時取得、獲得或接受電容器兩端的電壓測量結果。 在一些實施方案中，抽取電容器電壓子樣(ACT215)可能包括估計電容器電壓數值，而抽取 電感線圈電流子樣(ACT210)可能包括估計電感線圈電流數值。關於電感線圈電流的周期 性抽樣(ACT210)，在各種不同的實施方案中，抽取電容電壓子樣(ACT215)發生在載波信號 的任何瞬間，包括在或接近載波信號波形的峰值或波谷。在一個實施方案中，方法200能包括對負荷電流I進行抽樣的行為(ACT217)。 通常，對負荷電流Ife^進行抽樣的行為(ACT217)可能發生在任何抽樣時間，而且可能包括 在載波信號的任何瞬間取得、獲得或接受負荷電流Ifei的測量結果。在一些實施方案中，抽 取負荷電流I 子樣可能包括估計或推斷I 的數值。方法200可能還包括在第一抽樣時間獲得參考電流的行為(ACT220)。在一個包括 這個行為的實施方案中，獲得參考電流(ACT220)包括在第一抽樣時間至少部分地根據第 一抽樣時間的電感線圈電流和第一抽樣時間的電容器電壓獲得參考電流。依照在此進一步 的討論，參考電流通常是後續抽樣時間的預計的電感線圈電流。舉例來說，電感線圈參考電 流(ID可能是第η個抽樣時間的預計的電感線圈電流I「n+1)。換句話說，在第一抽樣時間 已經抽取電感線圈電流子樣(IL(n)) (ACT210)，電感線圈參考電流可能包括在第(n+1)個或 下一個抽樣時間確定電感線圈電流的數值。給出在第一抽樣時間抽取的電感線圈電流的數 值(ACT210)和開關周期或抽樣周期內電感線圈電流上升或下降的斜率，就能相對於負荷 比Dn確定參考電流(Ι;)，其中負荷比是脈衝持續時間(例如，PWM控制信號非零的時候) 和控制信號周期(例如，矩形波波形)之比。
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再一次依照在此進一步的討論，在一個實施方案中，抽取電容電壓(V。)的子樣 (ACT215)而且能部份地基於抽取(ACT215)的電容電壓(ν。)確定參考電容器電流Ic(/。 因為通常在諸如LC濾波器之類的濾波器中電感線圈電流込=I ^+Ic,它遵循電感線圈 參考電流I「/= I_+Ic(/。在這個說明性的範例中，人們能看到參考電流可以 至少部分地根據在第一抽樣時間抽取(ACT210)的電感線圈電流(IJ、在第一抽樣時間 抽取(ACT215)的電容電壓(ν。)或在第一抽樣時間抽取(ACT217)的負荷電流Iilffi獲得 (ACT220)。在實施方案中，方法200包括將第一抽樣時間的電感線圈電流與在第一抽樣時間 經過電感線圈的參考電流進行比較的行為(ACT225)。將電感線圈電流與電感線圈參考電流 進行比較(ACT225)通常包括確定這兩個電流的差異，在此稱之為電流誤差值。舉例來說， 比較(ACT225)可能包括對兩個電流數值完成邏輯或處理操作確定它們相對於對方的差異 的邏輯裝置。在說明性的實施方案中，除了將第一抽樣時間的電感線圈電流與第一抽樣時 間的參考電流進行比較(ACT225)之外，方法200包括調整PWM控制信號的工作循環把第二 抽樣時間的電感線圈電流向實質上等於第一抽樣時間的參考電流的數值驅動(ACT230)。在一個實施方案中，調整PWM控制信號工作循環(ACT230)包括把第二抽樣時間 的電容器電壓向實質上等於第一抽樣時間的電容器參考電壓的數值驅動。通常，調整工作 循環(ACT230)導致電感線圈電流I「n)調整到實質上等於第一抽樣時間(Tfc))之後和第二 抽樣時間(T0m))之前的某個時間點的電感線圈參考電流Iun)*的數值驅動。繼續討論這 個範例，在第二抽樣時間T_，電感線圈參考電流I./可能由於，舉例來說，非線性負荷 的功率需求有不同於電感線圈參考電流的數值。然而，調整PWM控制信號工作循環 (ACT230)在實施方案中導致第(η+1)個抽樣時間的電感線圈電流Ι「η+1)實質上等於第η個 抽樣時間的電感線圈參考電流同樣，在各種不同的實施方案中，電感線圈電流或電容 器電壓或兩者都可能被分別地驅動向或跟隨電感線圈參考電流或電容器參考電壓一個抽 樣周期，即，一個開關周期的延遲。在一些實施方案中，在第η個抽樣時間電感線圈電流Ι「η)和電感線圈參考電流 之間的差異可以被稱為電流誤差eI(n)。因為在各種不同的實施方案中，許多負荷就電
流或耗電量而論以非線性的方式操作，所以負荷所需的負荷電流Ife^可能頻繁地改變。作 為結果，電感線圈電流IL通常必須得到控制和調整，以便控制送給負荷的輸出功率。一般 地說，當電流誤差eI(n)是零的時候，負荷電流I負荷在適合負荷起作用的數值。因為依照前 面的討論電感線圈參考電流能相對於工作循環Dn表達，所以PWM控制信號的工作循 環Dn能在獲取第(η+1)個子樣(例如，第二抽樣時間的子樣)之前被調整成在第η個抽樣 時間把電流誤差eI(n)向零驅動。以這種方式改變工作循環Dn通常把第一抽樣時間的電感 線圈電流l·驅動到實質上等於第一抽樣時間之後和第二抽樣時間之前的電感線圈參考電 流的水平。通常，新的電流誤差eI(n)可能發生在第二抽樣時間。然而，繼續這個說明 性的實施方案，在第二抽樣時間，電感線圈電流I「n)已經被控制或驅動到接近第一抽樣時 間的電感線圈參考電流水平的數值。因此，依照在此更詳細的討論，在一個實施方案 中，調整PWM控制信號的工作循環(ACT230)導致電感線圈電流L用一次抽樣延遲跟蹤電 感線圈參考電流ΙΛ人們將領會到在各種不同的實施方案中第二抽樣時間的電感線圈參考電流或電容器電壓並非精確地等於第一抽樣時間的電感線圈電流或電容器電壓。在各種不同的實施 方案中，這兩個數值可能實質上相等。舉例來說，在一個實施方案中，第二抽樣時間的電感 線圈電流驅向在第一抽樣時間的參考電流的10% (即正負10% )之內的數值。在各種不 同的其它實施方案中，這些數值可能彼此偏離士 10%以上而且依照本文的定義仍然實質上相等。此外，在實施方案中，調整PWM控制信號的工作循環(ACT230)包括在載波信號波 谷的10%之內的某個時間點將工作循環的調整初始化的行為。在一個實施方案中，抽取濾 波器的電感線圈電流子樣(ACT210)在載波信號的峰值初始化，而調整PWM控制信號的工作 循環(ACT230)在載波信號的波谷初始化。在這個說明性的實施方案中，電感線圈電流抽 樣(ACT210)和工作循環調整(ACT230)的之間的延遲s時間實質上是開關周期的一半，即， Ts/2。把這個時間延遲減少到Ts/2將減少計算的延遲和導致有效的電流和電壓控制。人 們將領會到在其它的實施方案中這個調整能在載波信號峰值的10%之內或在載波信號的 任何其它瞬間初始化。這個瞬間通常可能被稱為更新瞬間。在一個實施方案中，電感線圈 電流能在調整控制信號(ACT230)的瞬間被預測。在一些實施方案中，方法200包括濾除來自輸出反相器的諧波畸變的行為 (ACT235)。通常，諧波畸變包括反相器產生的開關頻率電壓諧波，而濾除諧波畸變(ACT235) 可能包括使用低通濾波器。濾除諧波畸變(ACT235)通常通過除去不想要的噪音或其它幹 擾改善反相器輸出信號。在一個實施方案中，濾除諧波畸變(ACT235)包括把諧波畸變水平 濾除到小於反相器輸出的4. 4%的水平。在替代實施方案中，諧波畸變被濾除到8%以下的 水平，在一些實施方案中，濾除諧波畸變(ACT235)可能包括濾除來自信號的反相器輸出， 以便諧波畸變組成小於3%的反相器輸出。在一個實施方案中，推斷更新瞬間的負荷電流I
能把諧波畸變總水平減少到小於或等於反相器輸出的3. 4%。在一種操作狀態中，方法200包括把不間斷電源的輸出電壓應用於負荷的行為 (ACT240)。在一個實施方案中，這包括反相器輸出電壓，而在另一個實施方案中，這包括 濾除來自電壓信號的諧波畸變(ACT235)之後反相器輸出電壓。將輸出電壓應用於負荷 (ACT240)通常包括將不間斷電源輸出電壓輸出或輸送到任何負荷，在這種情況下負荷接受 這個電壓作為輸入。在一個實施方案中，將輸出電壓應用於負荷(ACT240)包括將輸出電壓 應用於二極體橋式整流器，或可能作為負荷部份被包括在內的任何其它整流電路。在一個 實施方案中，應用輸出電壓(ACT240)包括使輸出電壓變成負荷可得的，不管該負荷是否實 際存在。方法200在一個實施方案中還包括將不間斷電源的輸出電流應用於負荷的行為 (ACT245)。應用輸出電流(ACT245)可能但不需要包括將諸如LC濾波器之類的濾波器的 輸出電流應用於負荷。在各種不同的實施方案中，將輸出電流應用於負荷(ACT245)包括 使輸出電流通過二極體橋式整流電路或其它整流電路。在一個實施方案中，應用輸出電流 (ACT245)包括使輸出電流變成負荷可得的，不管該負荷是否實際存在。簡單扼要地說，圖3是依照本發明的實施方案不間斷電源300的功率的功能方框 圖。不間斷電源(UPS)300通常包括維持對各種不同的負荷的連續的或幾乎連續的電力供 應的裝置。UPS300可能是在線或脫機多樣性的。本發明的實施方案不局限於在不間斷電源 中使用，而是通常可以用於其它的電源或其它的系統。
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在一個實施方案中，UPS 300包括至少一個處理器305。處理器305可能包括有 足以完成在此揭示的邏輯運算的處理能力的任何裝置。處理器305可能但不需要被整合到 UPS 300之中。舉例來說，處理器305可以實際上被包括在UPS 300之內，或作為替代，處理 器305可能是遠程的但是與UPS 300相關聯。在一個實施方案中，可能有眾多處理器305， 這些處理器可能位於UPS300的殼體之內，UPS 300之外或一些處理器305可能在UPS 300 裡面而其它的處理器305位於UPS 300之外。處理器305可能包括任何輸入模塊、控制模 塊或輸出模塊。在一個實施方案中，處理器305包括至少一個控制信號發生器310。控制信號發 生器310可能與處理器305成一整體或相關聯，而且在一個實施方案中控制信號發生器 310包括至少一個載波信號。通常，控制信號發生器310是能夠創造、形成或輸出諸如脈 寬調製(PWM)控制信號之類控制信號的裝置。在各種不同的實施方案中，控制信號發生器 310或任何處理器305能夠調整PWM控制信號的工作循環把第二抽樣時間的電感線圈電 流向第一抽樣時間的參考電流值驅動。在一個實施方案中，控制信號發生器310包括至少 一個適合輸出脈寬信號的數字電路。控制信號發生器310可能包括，舉例來說，用相交法 (intersective method)、Δ 法(delta method)、Σ - Δ 法(sigma delta method)或其它 產生和操縱波形的形式之中的任何一種產生PWM控制信號的電路或其它發生器。在一個實施方案中，控制信號發生器310把諸如PWM控制信號之類的控制信號供 應給至少一個輸出反相器315。輸出反相器315可能是構成UPS 300不可缺少的部分或者 是外部的但與UPS300相關聯。輸出反相器315通常接受直流(DC)電壓輸入並且把交流 (AC)電壓輸出提供給負荷，該負荷可能包括，舉例來說，非線性負荷，例如，計算機負荷。在 各種不同的實施方案中，輸出反相器315包括三相反相器或單相反相器。在一個實施方案 中，輸出反相器315可能包括至少一個三級反相器(three levelinverter)，例如，在此通 過引證將其揭示併入的兩份授權給Nielsen的美國專利第6，838，925號和第7，126，409號 所揭示的那些。輸出反相器315的輸出在一個實施方案中被饋送給至少一個濾波器320。在各種 不同的實施方案中，濾波器320可能包括無源的、有源的、模擬的或數字式的濾波器。在一 個實施方案中，濾波器320包括有至少一個電感線圈325和至少一個電容器330的低通LC 濾波器，雖然可能使用電感線圈、電容器和電阻的其它組合。濾波器320通常是配置成修改 信號的諧波內容的裝置。舉例來說，濾波器320可能濾掉開關頻率電壓諧波，包括輸出反相 器315產生的全部諧波畸變。在一個實施方案中，濾波器320的輸出饋送給至少一個整流電 路335。整流電路335通常包括把交流輸入(例如，來自濾波器320)轉換成直流輸出的裝 置。在各種不同的實施方案中，整流電路335可能提供半波或全波整流。但是，濾波器320 可能無需對UPS 300來說是內在的。在一個實施方案中，UPS 300的整流電路335把電壓和/或電流輸出到至少一個 負荷340。負荷340可能包括直流負荷或非線性負荷或線性負荷，而且在一個實施方案中 負荷340可以包括整流電路335。舉例來說，負荷340可能包括計算機、伺服器或其它需要 輸入功率的用電設備。在各種不同的實施方案中，濾波器320、整流電路335或其它的UPS 300部件可能把電壓或電流供應給負荷340。圖3舉例說明的UPS 300描繪輸出反相器315把電壓和/或電流供應給負荷340的操作模式，其中負荷包括，舉例來說，非線性負荷，例如，計算機負荷。在各種不同的實施 方案中，負荷340包括伺服器、計算機、通信設備、數據存儲設備、插件模塊或任何需要功率 的用電裝置或設備。在這個說明性的實施方案中，濾波器320包括由電感線圈325和電容 器330組成的低通濾波器，以便濾除輸出反相器315產生的開關頻率諧波或其它不想要的 畸變。如圖3所示，V1代表輸出反相器315的電極電壓，ν。代表橫跨電容器330兩端的電 壓，込代表電感線圈325的電流，Ie代表電容器330充電電流，而I _代表在此用方程⑴ 表示的負荷電流。Il =I 負荷+Ic (1)在說明性的實施方案中，參照方程(1)，Ie可能小於Iilffi,雖然不需要總是這種情 形。圖4是舉例說明依照本發明的實施方案從不間斷電源300輸出的正弦曲線電容器 電壓ν。和非線性負荷電流Ife^的曲線圖。如同圖4的實施方案舉例說明的那樣，Ife^包括 非線性負荷電流，Vc包括正弦曲線電壓。在一個實施方案中，If^包括濾波器320的電流 込減電容器330的電流Ic，而ν。包括電容器330的電壓。簡單扼要地說，圖5包括依照本發明的實施方案按某種操作模式舉例說明輸出反 相器315的電路圖。在一個實施方案中，輸出反相器315包括三級反相器。圖5舉例說明 在某種操作模式中輸出反相器315的相位，其中輸出反相器315包括電壓V1，在這個說明 性的實施方案中，該電壓是幅度Vd。的控制信號(例如，PWM)脈衝的函數，如圖6所示。圖 6包括舉例說明輸出反相器315的電壓V1和輸出反相器參考電壓V/的曲線圖。在一個實 施方案中，圖6的控制信號脈衝是由控制信號發生器310產生的。在圖6的正半周的說明 性實施方案中，反相器開關Sl和S2如圖5所示永久地以與開關S3斷開互補的方式被接通 (即，被選通)和斷開。相反，在圖6的負半周的說明性實施方案中，圖5的反相器開關S3 和S2以與開關Sl斷開互補的方式被接通。圖7是依照本發明的實施方案包括圖6所描繪的正半周期間的反相器315的輸出 電壓V1的電路圖的說明性實施方案。舉例來說，在一個實施方案中，開關周期Ts= l/fsw(其 中fsw是開關頻率)。在這個範例中，開關Sl被接通特定的持續時間(TJ，開關S2被接通 該時間間隔的剩餘部分[即(Ts-TJ]，D是開關Sl的工作循環。繼續這個說明性的實施方 案，圖8依照本發明的實施方案舉例說明有開關周期Ts的輸出反相器315的開關圖。圖8 依照本發明的實施方案舉例說明包括在開關周期Ts範圍內電感線圈325的電流IL的說明 性變化的開關圖。在這個說明性的實施方案中，輸入量是在抽樣瞬間抽取的，該抽樣瞬間在 載波信號的峰值處或在其附近，控制信號的工作循環(即工作狀態D)是在圖示的載波波谷 處或其附近調整的，從而導致輸入抽樣和工作循環調整之間有Ts/2的時間延遲。在各種不同的實施方案中，被抽樣的輸入量(例如，電感線圈325的電流込和/或 被抽樣的電容器330電壓ν。)可能是在載波信號的任何時間點抽樣的，而且控制信號的工 作循環也可能從載波信號的任何時間點開始調整。在此抽樣的數值(例如，負荷電流、電感 線圈電流或電容器電壓)可能是用電流或電壓傳感器抽樣的。在圖8舉例說明的範例中， 電感線圈325的電流L在開關Sl接通的時候增加並且開關Sl斷開的時候減少。這個範 例的電路圖是分別用圖9和圖10舉例說明的，其中圖9舉例說明當圖5的開關Sl接通而 開關S2斷開的時候不間斷電源300的電路圖；圖10舉例說明當圖5的開關Sl斷開而開關S2接通的時候不間斷電源300的電路圖，全部依照本發明的各種不同實施方案。簡單扼要地說，圖11是依照本發明的實施方案舉例說明不間斷電源濾波器320在 某工作狀態下電感線圈電流IL的變化的曲線圖。在圖11舉例說明的實施方案中，I廣是參 考電流，l·是電感線圈325的抽樣電流，而eI(n)是第η個抽樣時間的電流誤差。通過調整控 制信號的工作循環Dn，在接下來的第η+1個抽樣時間到達之前，例如，在一個開關周期Ts時 限(即，一個抽樣周期)之後，電流誤差ei(n)能被驅向零。然而，在有非線性負荷340的 實施方案中，通過在第n+1個抽樣時間之前將eI(n)向或朝零驅動，可能在第n+1個抽樣時間 有新的電流誤差(eI(n+1))，這個範例的電感線圈325的抽樣電流込用一個抽樣時間跟蹤電 感線圈參考電流ΙΛ如圖12的曲線圖所示。舉例來說，參照圖8，在第η個抽樣時間抽取電感線圈325的電流的子樣1&)。在 這個說明性的實施方案中，為了在開關周期Ts內估計第(n+1)個抽樣時間的電感線圈電流 IL(n+1)的數值，人們將領會到電感線圈電流込以斜率(Vrc-v。)/L上升(見圖9)和以斜率-ν。/ L(見圖10)下降。繼續這個範例，IL(n+1)的表達是如方程(2)所示導出的。
權利要求
一種使用有輸出反相器和濾波器的不間斷電源把功率分配給負荷的方法，其中濾波器有電感線圈和電容器，該方法包括把脈寬調製控制信號應用於輸出反相器；定期在第一抽樣時間和第二抽樣時間抽取電感線圈電流子樣；將第一抽樣時間的電感線圈電流與第一抽樣時間的參考電流進行比較；調整脈寬調製控制信號的工作循環把第二抽樣時間的電感線圈電流向實質上等於第一抽樣時間的參考電流的數值驅動；以及把不間斷電源的輸出電壓應用於負荷。
2.根據權利要求1的方法，進一步包括 濾掉來自輸出反相器的諧波畸變。
3.根據權利要求2的方法，其中諧波畸變輸出小於或等於反相器輸出信號的3.4%。
4.根據權利要求的方法，進一步包括 在第一抽樣時間對電容器的電壓進行採樣； 至少部份地根據第一抽樣時間的電感線圈電流和第一抽樣時間的電容器電壓獲得在 第一抽樣時間的參考電流。
5.根據權利要求4的方法，進一步包括在載波信號波形的第一波谷的10%範圍內在第一時間對工作循環進行初始化調整；以及在載波信號波形的第二波谷的10%範圍內在第二時間獲得參考電流的更新值。
6.根據權利要求4的方法，進一步包括在第二抽樣時間對電容器電壓進行抽樣；其中調整工作循環包括在第二抽樣時間將電 容器電壓向實質上等於第一抽樣時間的電容器參考電壓的數值驅動。
7.根據權利要求6的方法，進一步包括 調整參考電壓以將輸出電壓向無負荷電壓驅動。
8.根據權利要求7的方法，其中無負荷電壓大於119V。
9.根據權利要求1的方法，其中第一抽樣時間的參考電流是在第二抽樣時間的電感線 圈電流的10%的範圍內。
10.根據權利要求1的方法，進一步包括 把不間斷電源的負荷電流應用於負荷。
11.根據權利要求1的方法，其中第一抽樣時間包括載波信號第一峰值的10%範圍內 的時間；以及其中第二抽樣時間包括載波信號第二峰值的10%範圍內的時間。
12.根據權利要求11的方法，其中調整工作循環包含在第二抽樣時間之後，在小於或等於載波信號轉換周期一半的時段內初始化工作循環 的調整。
13.根據權利要求11的方法，其中第一峰值和第二峰值是載波信號連續的峰值。
14.根據權利要求13的方法，其中調整工作循環包括每次在載波信號波谷的10%之內初始化工作循環的調整。
15.根據權利要求14的方法，進一步包括在第一抽樣時間對來自不間斷電源的負荷電流輸出進行抽樣；以及至少部份地根據該負荷電流的估值確定參考電流。
16.根據權利要求14的方法，進一步包括在第一抽樣時間對來自不間斷電源的負荷電流輸出進行抽樣； 推斷負荷電流以確定在載波信號波谷的負荷電流值；以及 至少部分地根據推斷的負荷電流的估值確定參考電流。
17.根據權利要求1的方法，其中第一抽樣時間包括在載波信號第一波谷的10%之內 的時間；而第二抽樣時間包括在載波信號的第二波谷的10%之內的時間。
18.根據權利要求17的方法，其中第一波谷和第二波谷是載波信號的連續的波谷。
19.根據權利要求18的方法，其中調整工作循環包括在載波信號的峰值的10%之內的一個時間對工作循環的調整進行初始化。
20.根據權利要求19的方法，進一步包括在第一抽樣時間對來自不間斷電源的負荷電流輸出進行抽樣；以及 至少部分地根據負荷電流的估值確定參考電流。
21.根據權利要求19的方法，進一步包括在第一抽樣時間對來自不間斷電源的負荷電流的輸出進行抽樣； 推斷負荷電流以確定在載波信號峰值的負荷電流值；以及 至少部分地根據推斷的負荷電流的估值確定參考電流。
22.根據權利要求1的方法，其中調整工作循環包括通過下列方法確定參考電流 至少部分地根據電容器的電容電壓實現預計的不間斷電源反相器電壓控制；以及 至少部分地根據電感線圈電流實現預計的不間斷電源反相器電流控制。
23.根據權利要求1的方法，其中定期對電感線圈電流進行抽樣包括用至少一個電流 傳感器定期地對電感線圈電流進行抽樣。
24.根據權利要求1的方法，其中負荷包括計算機、伺服器、電子通信設備和數據存儲 設備中的至少一個。
25.根據權利要求1的方法，其中應用脈寬調製控制信號、周期性的對電感線圈電流抽 樣、把電感線圈電流與參考電流進行比較、調整工作循環和應用輸出電壓是用處理器來完 成的，而且其中所述的方法是由存儲在計算機可讀媒體中的程序來實現的並由處理器來執 行的。
26.一種具有輸出反相器和濾波器的不間斷電源，其中濾波器有電感線圈和電容器，該 不間斷電源包括配置成把脈寬調製控制信號應用於輸出反相器上的處理器；配置成在第一抽樣時間和第二抽樣時間周期性的對電感線圈電流進行抽樣的處理器；配置成把第一抽樣時間的電感線圈電流與第一抽樣時間的參考電流進行比較的處理器；配置成調整脈寬調製控制信號的工作循環以將第二抽樣時間的電感線圈電流向實質 上等於第一抽樣時間的參考電流的值驅動的處理器；以及 配置成把輸出電壓應用於負荷的不間斷電源。
27.根據權利要求26的不間斷電源，進一步包括適合濾除來自輸出反相器的諧波畸變的濾波器。
28.根據權利要求27的不間斷電源，其中諧波畸變輸出大於或等於反相器輸出信號的 3. 4%。
29.根據權利要求26的不間斷電源，進一步包括 配置成在第一抽樣時間對電容器電壓進行抽樣的處理器；配置成至少部分地根據第一抽樣時間的電感線圈電流和第一抽樣時間的電容器電壓 確定第一抽樣時間的參考電流的處理器。
30.根據權利要求29的不間斷電源，其中電容器電壓實質上等於輸出電壓。
31.根據權利要求29的不間斷電源，進一步包括配置成在載波信號波形的第一波谷的10%之內的第一時間將工作循環的調整進行初 始化的處理器；以及配置成在載波信號波形的第二波谷的10%之內第二時間確定參考電流的更新值的處理器。
32.根據權利要求29的不間斷電源，其中第一峰值發生在實質上為在第一波谷之後載 波信號轉換周期一半的時段內。
33.根據權利要求29的不間斷電源，進一步包括 配置成在第二抽樣時間對電容器電壓進行抽樣的處理器；其中處理器調整工作循環把第二抽樣時間的電容器電壓朝實質上等於第一抽樣時間 的電容器參考電壓的值驅動。
34.根據權利要求26的不間斷電源，其中第一抽樣時間包括載波信號的第一峰值的 10%之內的時間；而第二抽樣時間包括載波信號的第二峰值的10%之內的時間。
35.根據權利要求34的不間斷電源，其中第一峰值和第二峰值是載波信號的連續的峰值。
36.根據權利要求34的不間斷電源，其中處理器配置成每次在載波信號的波谷10%之 內將工作循環的調整進行初始化。
37.根據權利要求34的不間斷電源，其中處理器在第一抽樣時間之後在小於或等於載 波信號的轉換周期一半的時段內調整工作循環。
38.根據權利要求26的不間斷電源，其中輸出電壓實質上等於120V。
39.根據權利要求26的不間斷電源，其中第一抽樣時間包括在載波信號的第一波谷的 10%之內的時間；而第二抽樣時間包括載波信號的第二波谷的10%之內的時間。
40.根據權利要求39的不間斷電源，其中第一波谷和第二波谷是載波信號的連續的波谷。
41.根據權利要求39的不間斷電源，其中處理器配置成每次在載波信號的峰值10%之 內將工作循環的調整初始化。
42.根據權利要求26的不間斷電源，其中負荷包括計算機、伺服器、電子通信設備和數 據存儲設備中的至少一個。
43.根據權利要求26的不間斷電源，進一步包括至少一個與處理器相關聯並且配置成在第一抽樣時間或在第二抽樣時間對電感線圈 電流進行抽樣的電流傳感器。
44.根據權利要求26的不間斷電源，其中不間斷電源包括三相不間斷電源。
45.一種不間斷電源，其中包括配置成接受脈寬調製控制信號的輸入模塊； 包括輸出反相器和濾波器的控制模塊，其中濾波器有電感線圈； 與輸入模塊和控制模塊耦合響應脈寬調製控制信號把輸出功率提供給負荷的輸出模 塊；以及一種裝置，其用來調整脈寬調製控制信號的工作循環從而把通過電感線圈的電流在小 於或等於與脈寬調製控制信號相關聯的載波信號的轉換周期時段的時段內向實質上等於 參考電流的值驅動。
46.一種計算機可讀媒體，其具有存儲在其中的指令序列，所述的指令包括將會引起處 理器進行如下動作的指令把脈寬調製控制信號應用於電源的輸出反相器，該電源包括有電感線圈和電容器的濾 波器；在第一抽樣時間和第二抽樣時間對電感線圈電流進行抽樣； 將第一抽樣時間的電感線圈電流與第一抽樣時間的參考電流進行比較； 調整脈寬調製控制信號的工作循環從而把第二抽樣時間的電感線圈電流向實質上等 於第一抽樣時間的參考電流的值驅動；以及 把不間斷電源的輸出電壓應用於負荷。
47.根據權利要求46的計算機可讀的媒體，進一步包括將引起處理器完成下列動作的 指令在第一抽樣時間對電容器電壓進行抽樣；至少部分地根據第一抽樣時間的電感線圈電流和第一抽樣時間的電容器電壓獲得第 一抽樣時間的參考電流。
48.根據權利要求47的計算機可讀的媒體，進一步包括將引起處理器完成下列動作的 指令在第二抽樣時間對電容器電壓進行抽樣；以及調整工作循環從而把第二抽樣時間的電容器電壓向實質上等於在第一抽樣時間電容 器的參考電壓的值驅動。
49.一種用來把功率分配給負荷的系統，該系統有輸出反相器和濾波器，該濾波器有電 感線圈和電容器，該系統包括配置成把脈寬調製控制信號應用於輸出反相器的處理器； 配置成在第一抽樣時間和第二抽樣時間定期抽取電感線圈電流子樣的處理器； 配置成將第一抽樣時間的電感線圈電流與第一抽樣時間的參考電流進行比較的處理器；配置成調整脈寬調製控制信號的工作循環把第二抽樣時間的電感線圈電流向實質上 等於第一抽樣時間的參考電流的值驅動的處理器；以及 配置成把輸出電壓應用於負荷的處理器。
50.根據權利要求49的系統，進一步包括配置成在第一抽樣時間對電容器電壓進行抽樣的處理器；配置成至少部分地根據第一抽樣時間的電感線圈電流和第一抽樣時間的電容器電壓 確定第一抽樣時間的參考電流的處理器。
51.根據權利要求49的系統，進一步包括配置成在載波信號波形的第一波谷的10%之內的第一時間將工作循環的調整初始化 的處理器；以及配置成在載波信號波形的第二波谷的10%之內第二時間確定參考電流的更新值的處理器。
全文摘要
這項發明提供用來通過控制有反相器(315)和濾波器(320)的不間斷電源(300)把功率分配給負荷(340)的系統和方法，其中濾波器有電感線圈(325)和電容器(330)。這些系統和方法把脈寬調製控制信號加給反相器，抽取反相器電感線圈電流(IL)子樣並且將電感線圈電流與參考電流進行比較。調整脈寬調製控制信號的工作循環把第二抽樣時間的電感線圈電流驅動到實質上等於第一抽樣時間參考電流的值。這些系統和方法能將來自輸出信號的諧波畸變濾掉而且能控制不間斷電源輸出。
文檔編號H02M7/538GK101960692SQ200980108129
公開日2011年1月26日 申請日期2009年2月5日 優先權日2008年2月7日
發明者D·克裡基克, M·阿格沃, P·M·普瑞薩德, R·格霍什 申請人:美國能量變換公司