一種可共用電池的不間斷電源的製作方法
2023-10-07 04:41:54
專利名稱：一種可共用電池的不間斷電源的製作方法
技術領域：
本實用新型是關於一種不間斷電源(UPS)，特別適用共用同一組電池供電的不間斷電源。
背景技術：
傳統的在線式UPS，通常採用圖1的電路結構。在市電正常時，連接電池的晶閘管SCR3關斷。晶閘管SCR1，儲能電感L1，功率開關管T1，整流二極體D1和直流電容C1構成了市電輸入為正半周期時的有源功率因數校正(APFC)電路，在將交流市電轉換成直流正電壓的同時，使得市電輸入電流滿足功率因素和諧波的相關規定。而晶閘管SCR2，儲能電感L2，功率開關管T2，整流二極體D2和直流電容C2構成了市電輸入為負半周期時的有源功率因數校正(APFC)電路，將交流市電轉換成直流負電壓。直流電容C1，C2，功率開關管T3，T4，續流二極體D3，D4和濾波電感L3，濾波電容C3構成的低通濾波器共同組成後級DC/AC半橋式逆變器，將直流電容C1，C2的正負直流電壓轉換成負載所需的交流電壓，給負載供電。在市電不正常而需要用電池供電時，晶閘管SCR1，SCR2關斷，切斷市電通路。晶閘管SCR3導通，UPS處於電池供電模式。此時，儲能電感L1，L2，功率開關管T1，T2，整流二極體D1，D2和直流電容C1，C2構成了UPS的前級DC/DC功率變換器，將電池電壓轉換成正負極性的直流電壓。該電壓再經過後級的DC/AC半橋式逆變器轉換為負載所需的交流電壓。圖1的兩臺UPS採用同一組電池供電，逆變輸出並聯接負載時，相應的結構如圖2所示。其中，在電池的負極增加了串聯的晶閘管SCR4和SCR8是為了在兩臺UPS工作在市電模式下時將市電和電池完全隔離。圖中的兩臺UPS，UPS-1和UPS-2的輸入可以接市電同相，也可接不同相。另外，UPS-1和UPS-2中既可以用各自獨立的直流電容(如圖2中UPS-1中的C1和C2，UPS-2中的C4和C5)，也可以共用一組直流電容(即將圖2中的節點A與節點C連接，節點B與節點D連接)。圖2的兩臺UPS當工作在電池供電模式下時，兩臺UPS的前級DC/DC功率變換器之間容易產生環流。圖2中箭頭所示為環流的一種途徑，當UPS-1的功率開關管T1和UPS-2的功率開關管T6同時導通而功率開關管T2和T5關斷時，電池電流從電池正極流過UPS-1的晶閘管SCR3，儲能電感L1，功率開關管T1，再經兩臺UPS共用的N線(Neutral線)流入UPS-2，經功率開關管T6，儲能電感L5，晶閘管SCR8，流回到電池負極。事實上，除了圖2中箭頭所指示的一種環流路徑之外，還存在其它的環流路徑，在此不一一列舉。該環流的產生是由於兩臺UPS無法實現完全同步(功率開關管T1和T5，T2和T6分別同時導通關斷)工作而通過兩者共用的N線和電池產生了電流迴路而造成的。這些環流的存在改變了電池模式下各臺UPS前級DC/DC變換器的正常工作狀態，降低了其工作性能。為此，在兩臺或多臺UPS共用一組電池時，各臺UPS中都必須增加環流控制措施，但如果控制不當，輕則使直流電容上電壓不穩，影響後級DC/AC逆變器的輸出；重則過大的環流會毀壞功率器件。
本實用新型的目的是為了克服圖1傳統的UPS在多臺共用一組電池供電時，因前級DC/DC功率變換器間環流而造成的性能不穩，從而提出了一種不存在上述的環流現象，可以直接共用同一組電池供電的UPS。
發明內容
本實用新型的目的是通過如下技術方案來實現的本實用新型由電池組、晶閘管、儲能電感、功率開關管、整流二極體和直流電容所構成，其特徵在於電池組的一端接到市電的N線，DC/DC升壓電路和另一個DC/DC升降壓電路分別向兩個半橋式串聯的直流電容充電。
本實用新型所述的電池組的負極通過節點n4接到N線，電池組的正極通過節點n3接到晶閘管SCR3的陽極和功率開關管T5的集電極。晶閘管SCR3的陰極則通過節點n2接到晶閘管SCR1的陰極和儲能電感L1的左端；儲能電感L1的右端通過節點n7與功率開關管T1的集電極和二極體D1的陽極連接。功率開關管T5的發射極則通過節點n6與儲能電感L2的右端以及二極體D2和D6的陰極相連；儲能電感L2的左端通過節點n5接到晶閘管SCR2的陽極和二極體D5的陽極；二極體D5的陰極接到N線，二極體D6的陽極通過節點n8與功率開關管T2的發射極連接。
二極體D5串聯儲能電感L4，儲能電感L4的上端通過節點n9接到二極體D5的陽極，下端通過節點n5與晶閘管SCR2的陽極和儲能電感L2的左端連接。
本實用新型還可以將電池組的正極與N線相連；電池組的負極經節點n3與晶閘管SCR3的陰極和功率開關管T5的發射極連接；晶閘管SCR3的陽極通過節點n5與晶閘管SCR2的陽極和儲能電感L2的左端連接，功率開關管T5的集電極經節點n6連接到儲能電感L1的右端，二極體D1的陽極，T1管的集電極。儲能電感L2的右端經節點n8與T2的發射極和二極體D2的陰極連接；二極體D5的陽極接N線，陰極經節點n2接晶閘管SCR1的陰極和儲能電感L1的左端；二極體D6的陰極接N線，陽極經節點n7接T1的發射級。
二極體D5陰極經節點n9與儲能電感L4下端連接，儲能電感L4的上端經節點n2與晶閘管SCR1的陰極和儲能電感L1的左端連接。
本實用新型所述的電池組可連接多臺UPS，多臺UPS的市電輸入可以用同一相或用不同相，各UPS的直流電容可以各自獨立連接或互相併聯使用。
本實用新型與現有技術相比具有共電池工作的多臺UPS時，前級DC/DC變換器之間沒有環流，無須增加環流抑制措施而性能良好等優點。
圖1是現有技術在線式UPS電路結構原理圖。
圖2是現有技術兩臺UPS採用同一組電池供電、逆變輸出並聯接負載時的電路原理圖。
圖3、圖4、圖5是本實用新型的電路原理圖。
圖6是本實用新型兩臺UPS共用一組電池的電路原理圖。
圖7是圖3的改進電路圖。
圖8是本實用新型的另一實施方式電路原理圖。
圖9是圖8的改進電路圖。
具體實施例
以下結合附圖說明對本實用新型作進一步詳細的描述本實用新型採用的技術方案是將電池組的一端接到市電的N線，並通過增加器件構造出電池組對直流電容C1和C2分別供電的兩個獨立的前級DC/DC功率變換器。這樣，在多臺UPS共用電池工作時，因為電池組是與N線直接連接的，各臺UPS的前級DC/DC功率變換器共用的實際上只有兩根電池線，因此它們之間不會產生影響電路正常工作的環流了。如圖3、圖4、圖5所示，電池組的負極通過節點n4接到N線。電池組的正極通過節點n3接到晶閘管SCR3的陽極和功率開關管T5的集電極。晶閘管SCR3的陰極則通過節點n2接到晶閘管SCR1的陰極和儲能電感L1的左端。而功率開關管T5的發射極則通過節點n6與儲能電感L2的右端以及二極體D2和D6的陰極相連。儲能電感L2的左端通過節點n5接到晶閘管SCR2的陽極和二極體D5的陽極。二極體D5的陰極接到N線。二極體D6的陽極通過節點n8與功率開關管T2的發射極連接。圖3的UPS電路中其他部分和器件的連接與圖1的UPS是一樣的。
圖3的UPS電路在市電模式下工作原理與圖1的UPS電路是一樣的，僅有的不同是在功率開關管T2支路上增加串聯了一個二極體D6與其一起工作。
圖3的UPS電路在電池模式下工作時，晶閘管SCR3完全導通，功率開關管T1和T5則工作在高頻PWM方式下，具體的工作原理如下當功率開關管T1導通時，電池組通過晶閘管SCR3，儲能電感L1，功率開關管T1給儲能電感L1充電，充電電流迴路如圖4中實線所標；當功率開關管T1關斷時，電池組和儲能電感L1上的能量通過晶閘管SCR3，儲能電感L1，二極體D1，直流電容C1的路徑釋放，從而給直流電容C1充電，電流迴路如圖4中虛線所標。這是一個典型的DC/DC升壓電路(Boost電路)。當功率開關管T5導通時，電池組通過功率開關管T5，儲能電感L2，二極體D5給儲能電感L2充電，充電電路迴路如圖5中實線所標。當功率開關管T5關斷時，儲能電感L2通過二極體D5，直流電容C2，二極體D2續流，從而給直流電容C2充電，電流迴路如圖5中虛線所標。這是一個典型的DC/DC升降壓電路(Buck-Boost電路)。當功率開關管T5導通時，節點n4和n6之間是負的電池電壓，而由於功率開關管不能承受負的高壓，因此在圖3的UPS電路中增加了一個與功率開關管T2串聯的二極體D6來抵抗此時出現的負高壓，從而保護功率開關管不受損壞。
從上面的分析可以看出，在圖3的UPS中，由於將電池組的負極與N線連接，構成的Boost電路和Buck-Boost電路都有各自獨立的電流迴路，因此將多臺這樣的UPS共用同一組電池時，前級DC/DC功率變換器之間不會有流經各UPS的不同器件的環流存在。如圖6所示，兩臺這樣的UPS共用一組電池時的結構圖，對多臺工作時原理也是一樣的。圖6中，UPS-1和UPS-2的市電輸入可以用同一相，也可以用不同相。另外，UPS-1的直流電容C1，C2和UPS-2的直流電容C4，C5可以各自獨立，也可以互相併聯使用(即將節點n9與節點n19連接，節點n10與節點n20連接)。
為了減小圖3的UPS電路在電池工作模式下Buck-Boost電路中儲能電感L2上的紋波電流及相應的磁損，可以對其進行的修改如圖7所示增加一個與二極體D5相串聯的儲能電感L4，它的上端通過節點n9接到二極體D5的陽極，下端通過節點n5與晶閘管SCR2的陽極和儲能電感L2的左端連接。這樣，當UPS工作在電池模式下時，儲能電感L2和儲能電感L4串聯工作，減小了它們的紋波電流和磁損。圖7的UPS其他部分同圖3一樣。
對圖3的UPS電路，換成將電池組的正極連接到N線上，可以得到與圖3對稱的另一個共電池UPS電路，如圖8所示將電池組的正極與N線相連；電池組的負極經節點n3與晶閘管SCR3的陰極和功率開關管T5的發射極連接；晶閘管SCR3的陽極通過節點n5與晶閘管SCR2的陽極和儲能電感L2的左端連接；T5的集電極經節點n6連接到儲能電感L1的右端，二極體D1的陽極，T1管的集電極；儲能電感L2的右端經節點n8與T2的發射極和二極體D2的陰極連接；二極體D5的陽極接N線，陰極經節點n2接晶閘管SCR1的陰極和儲能電感L1的左端；二極體D6的陰極接N線，陽極經節點n7接T1的發射級。圖8的UPS其他部分同圖3一樣。
同樣，為了減小圖8的UPS電路在電池工作模式下儲能電感L1上的紋波電流和磁損，可以增加一個儲能電感L4與二極體D5串聯，如圖9所示將儲能電感L4下端經節點n9與二極體D5陰極連接，儲能電感L4的上端經節點n2與晶閘管SCR1的陰極和儲能電感L1的左端連接；電路中其他部分與圖8一樣。
採用本實用新型技術實現的共電池工作的多臺UPS，前級DC/DC變換器之間沒有環流，無須增加環流抑制措施而性能良好。
權利要求1.一種可共用電池的不間斷電源，由電池組、晶閘管、儲能電感、功率開關管、整流二極體和直流電容所構成，其特徵在於電池組的一端接到市電的N線，DC/DC升壓電路和另一個DC/DC升降壓電路分別向兩個半橋式串聯的直流電容充電。
2.根據權利要求1所述的一種可共用電池的不間斷電源，其特徵在於所述的電池組的負極通過節點n4接到N線，電池組的正極通過節點n3接到晶閘管SCR3的陽極和功率開關管T5的集電極。
3.根據權利要求2所述的一種可共用電池的不間斷電源，其特徵在於所述的晶閘管SCR3的陰極則通過節點n2接到晶閘管SCR1的陰極和儲能電感L1的左端，儲能電感L1的右端通過節點n7與功率開關管T1的集電極和二極體D1的陽極連接。
4.根據權利要求2所述的一種可共用電池的不間斷電源，其特徵在於所述的功率開關管T5的發射極則通過節點n6與儲能電感L2的右端以及二極體D2和D6的陰極相連；儲能電感L2的左端通過節點n5接到晶閘管SCR2的陽極和二極體D5的陽極；二極體D5的陰極接到N線，二極體D6的陽極通過節點n8與功率開關管T2的發射極連接。
5.根據權利要求4所述的一種可共用電池的不間斷電源，其特徵在於所述的二極體D5串聯儲能電感L4，儲能電感L4的上端通過節點n9接到二極體D5的陽極，下端通過節點n5與晶閘管SCR2的陽極和儲能電感L2的左端連接。
6.根據權利要求1所述的一種可共用電池的不間斷電源，其特徵在於所述的電池組的正極與N線相連；電池組的負極經節點n3與晶閘管SCR3的陰極和功率開關管T5的發射極連接；晶閘管SCR3的陽極通過節點n5與晶閘管SCR2的陽極和儲能電感L2的左端連接，功率開關管T5的集電極經節點n6連接到儲能電感L1的右端，二極體D1的陽極，T1管的集電極。
7.根據權利要求6所述的一種可共用電池的不間斷電源，其特徵在於所述的儲能電感L2的右端經節點n8與T2的發射極和二極體D2的陰極連接；二極體D5的陽極接N線，陰極經節點n2接晶閘管SCR1的陰極和儲能電感L1的左端；二極體D6的陰極接N線，陽極經節點n7接T1的發射級。
8.根據權利要求7所述的一種可共用電池的不間斷電源，其特徵在於所述的二極體D5陰極經節點n9與儲能電感L4下端連接，儲能電感L4的上端經節點n2與晶閘管SCR1的陰極和儲能電感L1的左端連接。
9.根據權利要求1所述的一種可共用電池的不間斷電源，其特徵在於所述的電池組可連接多臺UPS，多臺UPS的市電輸入可以用同一相或用不同相，各UPS的直流電容可以各自獨立連接或互相併聯使用。
專利摘要本實用新型是關於一種不間斷電源(UPS)，特別適用共用同一組電池供電的不間斷電源。本實用新型由電池組、晶閘管、儲能電感、功率開關管、整流二極體和直流電容所構成，其特徵在於電池組的一端接到市電的N線，DC/DC升壓電路和另一個DC/DC升降壓電路分別向兩個半橋式串聯的直流電容充電。本實用新型與現有技術相比具有共電池工作的多臺UPS時，前級DC/DC變換器之間沒有環流，無須增加環流抑制措施而性能良好等優點。
文檔編號H02J7/02GK2689566SQ20042001544
公開日2005年3月30日 申請日期2004年2月10日 優先權日2004年2月10日
發明者袁義生, 蔡孟君 申請人:山特電子(深圳)有限公司