用於ups系統的雙升壓轉換器的製造方法
2023-04-29 21:39:51
用於ups系統的雙升壓轉換器的製造方法
【專利摘要】一種電力轉換器，其包括可切換地耦合到第一電力輸入端和第二電力輸入端的電力轉換電路。電力轉換電路可運行以產生正的和負的DC輸出電壓，並且被配置為：在備用運行模式中，通過電力轉換電路的第一電流通路使用備用電力來產生負的DC輸出電壓，並且在傳輸線運行模式中，通過電力轉換電路的第二電流通路使用AC輸入電力來產生負的DC輸出電壓，第一電流通路包括耦合在第二電力輸入端和第二DC總線之間的第一二極體，第二電流通路旁路掉第一二極體且包括耦合在第一電力輸入端和第二DC總線之間的第二二極體。
【專利說明】用於UPS系統的雙升壓轉換器
發明背景
[0001]1.發明領域
[0002]本發明的實施方式通常關於電力轉換，並且更具體地，關於在不間斷電源中產生源自輸入電壓的輸出電壓。
[0003]2.相關技術討論
[0004]不間斷電源(UPS)用於當主電源或輸電幹線出現故障時，給電氣設備或負載提供備用電力。典型的負載包括計算機系統，但其他負載，例如加熱/製冷/通風系統、照明系統、網絡交換機和路由器、以及安全和數據中心管理系統也可以由UPS提供電力。為數據中心或工業用途而設計的UPS可以為負載提供I和20kVA之間的備用電力達數小時。
[0005]UPS單元通常包括當AC輸電幹線電力不可使用時用作電源的一個或多個電池。電池提供的DC電力由電力轉換電路轉換為AC電力,然後其被提供給負載。將AC電力轉換為DC電力的電池充電器可以包括在UPS中以當AC輸電幹線可以使用時給電池充電來保證當需要時備用電力將可以使用。UPS也可以包括用於自動管理UPS的運行和電力轉換功能的控制單元。
[0006]發明簡要綜述
[0007]根據一個實施方式，電力轉換器包含接收AC輸入電力的第一電力輸入端、接收備用電力的第二電力輸入端、被配置為提供正的DC輸出電壓的第一 DC總線、被配置為提供負的DC輸出電壓的第二 DC總線、以及可切換地I禹合到第一電力輸入端和第二電力輸入端的電力轉換電路。電力轉換電路可運行以產生正的和負的DC輸出電壓，並且被配置為:在備用運行模式中，通過電力轉換電路的第一電流通路使用備用電力來產生負的DC輸出電壓，並且在傳輸線運行模式中，通過電力轉換電路的第二電流通路使用AC輸入電力來產生負的DC輸出電壓。第一電流通路包括稱合在第二電力輸入端和第二 DC總線之間的第一二極體。第二電流通路旁路掉第一二極體且包括耦合在第一電力輸入端和第二 DC總線之間的第二二極體。
[0008]在另一個實施方式中，第一二極體具有第一陰極和第一陽極，並且第二二極體具有第二陰極。電力轉換電路可以包括電感元件和具有閘刀、第一觸點和第二觸點的開關。開關的閘刀可以耦合到電感元件。第一觸點可以耦合到第一二極體的第一陰極，並且第二觸點可以耦合到第一二極體的第一陽極和第二二極體的第二陰極。開關可以被配置為當第一觸點閉合時形成第一電路的一部分且當第二觸點閉合時形成第二電路的一部分。在一個實施方式中，第一二極體的額定電壓可以約為600V，並且第二二極體的額定電壓可以約為600V。
[0009]在另一個實施方式中，第二二極體可以包括耦合到第二 DC總線的第二陽極。
[0010]在另一個實施方式中，第二電力輸入端可以耦合到電池。
[0011]在另一個實施方式中，電池包括負接線端。電力轉換器可以包括被配置為可切換地將電感元件耦合到第一電力輸入端或電池的負接線端的連接電路。在另一個實施方式中，電感元件可以以串聯方式耦合在連接電路和第二二極體之間。在另一個實施方式中，第一二極體與第二二極體可以以並聯方式進行耦合。
[0012]在另一個實施方式中，電力轉換電路可以被配置為在第一配置和第二配置之間可切換。電力轉換電路的第一配置可以包括升壓轉換器電路，並且電力轉換電路的第二配置可以包括降升壓轉換器電路。
[0013]根據一個實施方式，向負載提供電力的方法包括檢測來自主電源的輸入電力的消失。響應於檢測到輸入電力的消失且在備用運行模式中，該方法包括通過第一電流通路使用備用電源來產生負的DC輸出電壓，第一電流通路包括耦合在備用電源和DC電力總線之間的第一二極體。該方法還包括檢測來自主電源的輸入電力的存在。響應於檢測到輸入電力的存在且在傳輸線運行模式中，該方法包括通過第二電流通路使用主電源產生負的DC輸出電壓，第二電流通路旁路掉第一二極體且包括耦合在主電源和DC電力總線之間的第二二極體。
[0014]在另一個實施方式中，該方法可以包含:在備用運行模式中，使用開關將第一二極體的第一陰極耦合到電感元件以構成第一電流通路的一部分。第一電流通路可以包括第一二極體、第二二極體和電感元件，這樣第一二極體以串聯的方式耦合在電感元件和第
二二極體之間。
[0015]在另一個實施方式中，該方法還可以包括在傳輸線運行模式中，使用開關將第一二極體的第一陰極從電感元件解耦，並且使用開關將第二二極體的第二陰極耦合到電感元件以構成第二電流通路的一部分，第二電流通路旁路掉第一二極體且包括第二二極體和電感元件。
[0016]在另一個實施方式中，第一切換元件可以以串聯的方式耦合在第一二極體的第一陰極和電池之間，並且第二切換元件可以耦合到第一二極體的第一陽極和第二二極體的第二陰極。該方法還可以包括在使第二切換元件通電第一時間量之後使第一切換元件通電。在一個實施方式中，第一時間量可以處於大約0.5微秒和大約1.5微秒之間。
[0017]在另一個實施方式中，該方法可以包括在使第二切換元件斷電第二時間量之前使第一切換兀件斷電。在一個實施方式中，第二時間量可以處於大約0.5微秒和大約1.5微秒之間。
[0018]根據一個實施方式，電力轉換器包括接收AC輸入電力的第一電力輸入端、接收備用電力的第二電力輸入端、提供源自AC輸入電力和備用電力中的至少一個的輸出電力的電力輸出端、第一二極體和第二二極體、以及裝置，所述裝置用於在備用運行模式中，通過第一二極體和第二二極體使用備用電力來向電力輸出端提供負的DC輸出電壓，並且在傳輸線運行模式中，通過第二二極體使用AC輸入電力來向電力輸出端提供負的DC輸出電壓。
[0019]在另一個實施方式中，在備用運行模式中，第一二極體和第二二極體可以各自耦合在第二電力輸入端和電力輸出端之間。在傳輸線運行模式中，第二二極體可以I禹合在第一電力輸入端和電力輸出端之間。在一個實施方式中，在傳輸線運行模式中，第一二極體可以被芳路掉。
[0020]在另一個實施方式中，電力轉換器可以被配置為在第一配置和第二配置之間可切換。第一配置可以包括升壓轉換器電路且第二配置可以包括降升壓轉換器電路。
[0021]附圖簡述
[0022]附圖不必按照比例繪製。在附圖中，相同的數字代表各個圖中示出的每個相同或者幾乎相同的部件。出於清楚的目的，並不是每個部件都標記在每個附圖中。在附圖中:
[0023]圖1是按照本發明的一個實施方式的不間斷電源的功能框圖；
[0024]圖2是傳統的電力轉換電路的原理圖；
[0025]圖3是另一個傳統的轉換電路的原理圖；
[0026]圖4A是按照本發明的一個實施方式的電力轉換電路的原理圖；
[0027]圖4B和4C是顯示圖4A的電力轉換電路的各種運行模式的簡化原理圖；
[0028]圖5示出了與按照本發明的另一個實施方式的電力轉換電路相關的各個波形；並且
[0029]圖6是按照本發明的另一個實施方式的電力轉換電路的原理圖。
[0030]發明具體描述
[0031]本發明的實施方式的應用不受限於它們在下面的描述中所述闡述的或者附圖所示的部件的構造細節和部件布置方面細節的應用。本發明的實施方式能夠具有其他實施方式且能夠以各種方式被實踐或者被執行。而且，本文使用的詞組和術語用於描述性目的，且不應視為限制性的。本文使用的「包括」、「包含」或「具有」、「含有」、「涉及」和其變體，意在涵蓋其後所列項和其等價項以及附加項。
[0032]圖1是UPS100的一個實施方式的框圖，UPS100向負載106提供源自AC電源102的穩壓電力以及源自電池104的備用電力。UPS100包括整流/升壓轉換器110、逆變器120、和用於控制整流/升壓轉換器和逆變器的控制單元130。UPS具有分別耦合到AC電源102的傳輸線(相位)和中性線的輸入端112和114,以及分別向負載106提供傳輸線和中性線的輸出端116和118。
[0033]在傳輸線運行模式中，在控制單元130的控制下，整流/升壓轉換器110接收輸入AC電壓並在線路121和122處提供相對於公共的或中性的中性線路124的提供正的和負的DC電壓。在備用運行模式(也稱為電池運行模式)中，在輸入AC電力消失時，整流/升壓轉換器110產生源自電池104的DC電壓。中性線路124可以耦合到輸入端中性線114和輸出端中性線118以提供通過UPS100的持續的中性通路。逆變器120接收來自整流/升壓轉換器110的DC電壓並在線路116和118處提供輸出AC電壓。
[0034]已經開發了用於UPS中的電力轉換的各種技術。在一種技術中，UPS包括前端功率因數校正(PFC)轉換器和DC-AC逆變器。一種這樣的實現方案在授權給Nielsen等人的序列號為7，705，489的美國專利中進行了描述。為使中性線對負載可以使用，一些PFC轉換器被配置為雙升壓轉換器。Nielsen的專利描述了具有雙升壓轉換器和分流DC總線(也稱為雙DC總線)的UPS。
[0035]圖2示出了具有雙升壓轉換器的典型的UPS，其整體指示在200處。雙升壓轉換器200包括正向升壓轉換器和負向升壓轉換器。
[0036]正向升壓轉換器具有第一電感器210、第一開關212、第一二極體214和第一電容器216。正向升壓轉換器可切換地通過相輸入端112和二極體252耦合到外部電源102(例如，AC輸電幹線，未顯示)，或者通過第一繼電器218耦合到電池104。應該理解的是，任何適當的開關設備可以用於代替本文所述的第一繼電器218和其他繼電器。第一繼電器218被配置為切換饋入外部電源102和電池104之間的正向升壓轉換器的電力。正向升壓轉換器耦合到第一 DC總線220和中性線路124。也應該理解的是，DC總線不受限於特定類型的導體且可以包括任何適合類型的導電元件。
[0037]負向升壓轉換器具有第二電感器230、第二開關232、第二二極體234和第二電容器236。第三二極體244與第二二極體232串聯以避免在備用運行模式期間電池104短路，並且在備用運行模式中作為降升壓電路的一部分而運行。負向升壓轉換器可切換地通過二極體254耦合到外部電源102 (未顯示)，或者通過第二繼電器238耦合到電池104。第二繼電器238被配置為切換饋入經由相位輸入端112的外部電源102和電池104之間的負向升壓轉換器的電力。負向升壓轉換器耦合到第二 DC總線240和中性線路124。
[0038]在傳輸線運行模式中，第一繼電器218和第二繼電器238各自移動到正常開路(NO)位置以將在輸入端112處的輸入AC傳輸線電壓耦合到電感器210和230，這樣正的和負的整流電壓被分別提供給電感器210和230。在控制器130 (未顯示)的控制下使用例如脈寬調製，電感器210連同第一開關212和二極體214作為正向升壓轉換器運行以在電容器216兩端提供正的DC電壓。類似地，同樣在控制器130的控制下使用例如脈寬調製，電感器230連同第二開關232和二極體234作為負向升壓轉換器運行以在電容器236兩端提供負的DC電壓。控制器可以控制升壓轉換器的運行以在不間斷電源的輸入端處提供功率因數校正。輸入電流是具有低的總諧波失真的正弦型且實質上與輸入電壓同相位。
[0039]在備用運行模式中，正向升壓轉換器作為DC-DC升壓轉換器運行，並且負向升壓轉換器作為DC-DC降升壓轉換器運行。在AC電壓源102 (未顯示)出現故障時，在控制器130的控制下，繼電器218和238移動到正常閉合(NC)位置以將電池104耦合到電感器210和230。使用電池電壓，正向升壓轉換器實質上按如上所述的(也就是，作為升壓轉換器)運行以在電容器216兩端產生DC電壓。為了在電容器236兩端產生負向電壓，在控制器130(未顯示)的控制下，伴隨第三開關242循環斷開和接通，第三開關242連同電感器230和二極體234作為降升壓電路運行。在一個例子中，在每個周期期間，第二開關232在第三開關242接通之前的大約1.0微秒接通以在接通時將第三開關242兩端的電壓降低到大約電池電壓。至第二開關232的驅動信號在第三開關242接通時間期間保持開啟。在第二開關232中沒有電流，因為第二開關232的發射極處於或近乎處於電池電壓。當第三開關242斷開時，第二開關232又正向偏置，因此第二電感器230中的電流流過第三二極體244和第二開關232。第二開關232保持接通大約達1.5微秒以給予第三二極體242足夠的時間以完全地斷開，然後第二開關232斷開。
[0040]在圖2顯示的拓撲結構中，第二二極體234是高電壓二極體，例如用於+/-400V的分流DC總線的900V或1200V 二極體，其在運行輸入電壓高達275VAC時是典型的。二極體234同時用在傳輸線模式和備用模式中。由於第二二極體234的非常高的反向恢復和高的正向壓降，總損耗非常高且效率受限，尤其在傳輸線運行模式中。而且，第二開關232和/或第三開關242的切換轉換速度必然被放慢，也是由於第二二極體234的非常高的反向恢復特性。而且，在第三二極體244中有一些正嚮導通損耗。
[0041]上面描述的UPS允許單一的電池用於分流DC總線整流器轉換器電路。其他已知的方法利用有中點或第三抽頭的雙電池或分組電池在備用運行模式中產生正的和負的總線電壓。
[0042]圖3示出具有雙升壓轉換器的另一個典型的UPS，其整體指示在300處。UPS300與圖2顯示的UPS200實質上相同，除了在備用運行模式期間，第三二極體244與第二二極體234串聯之外。在這個拓撲結構中，第二二極體234和第三二極體244都具有較低的額定電壓，例如，各自600V。這種配置克服了圖2的拓撲結構的非常高的反向恢復缺點；然而在傳輸線運行模式中，二極體244攜帶全電感器電流，這降低了效率且造成熱問題。
[0043]按照本發明的一個實施方式，UPS包括與降升壓轉換器和分流DC總線集成在一起的功率因數校正(PFC)電路。在傳輸線運行模式中，主電源，例如AC輸電幹線電力，給分流DC總線提供電力作為相對於AC輸電幹線輸入端的中性線路的第一(例如，正的)DC輸出電壓和第二 (例如，負的)DC輸出電壓。例如，在AC輸電幹線輸入波形的正部分期間(例如，在輸入的正半周期期間)，AC輸電幹線輸入可以轉換成第一 DC輸出電壓,並且在AC輸電幹線輸入波形的負部分期間(例如，在輸入的負半周期期間)，AC輸電幹線輸入可以轉換成第二DC輸出電壓。
[0044]在電池或備用運行模式中，電池電力代替AC輸電幹線電力提供給分流DC總線，作為第一和第二 DC輸出電壓。例如，電池電力在電力轉換周期的第一部分期間轉換成第一 DC輸出電壓(例如，相對於中性線的正的DC輸出電壓)，並且電池電力在電力轉換周期的第二部分期間轉換成第二 DC輸出電壓(例如，相對於中性線的負的DC輸出電壓)。從電池到分流DC總線，電力轉換周期的第一部分和第二部分可以同時執行。AC輸電幹線的中性線和電池迴路是同一個。多個繼電器用於在傳輸線運行模式和電池運行模式之間進行切換。
[0045]圖4A是根據本發明的一個實施方式的整流器/升壓電路400的原理圖。整流器/升壓電路400可以用於，例如，諸如圖1顯示的UPS。圖4A顯示的整流器/升壓電路400類似於圖3的電路300，除了整流器/升壓電路400包括耦合到第二電感器230的第三繼電器250、第三二極體244和第三開關242的第三繼電器250之外。第三繼電器250可以包括，例如，第一觸點、第二觸點、可在第一觸點和第二觸點之間移動的切換元件和耦合到可移動的切換元件的接線端或接線柱。因此，第三繼電器250可以具有至少三個連接點:在接線柱、第一觸點和第二觸點處。第一開關212、第二開關232和第三開關242可以實現為，例如，本領域的技術人員已知的使用FET、IGBT、MOSFET的三極體、雙極結型三極體、具有反向並聯二極體的三極體、或者其他切換器件。
[0046]在一個實施方式中，第三繼電器250的接線端耦合到第二電感器230，第三繼電器250的第一觸點耦合到第三二極體244的陰極，並且第三繼電器250的第二觸點耦合到第三二極體244的陽極以及第二二極體234的陰極。因此如下面將描述的，第三繼電器250用於將第三二極體244切換進入和退出電路的電流通路。
[0047]根據一個實施方式,在傳輸線運行模式中，電路400將AC輸電幹線輸入轉換成第一和第二 DC輸出電壓(例如,相對於中性線的正的和負的DC輸出電壓)。在傳輸線運行模式中，電路400被配置和/或作為升壓轉換器運行，其用於在AC輸電幹線輸入的正的和負的半周期期間轉換電力。當AC輸電幹線不能使用時，電池或其他備用電源用於給負載提供電力。電路400分別在備用電力轉換周期的第一和第二部分期間將來自電池或其他備用電源的電力轉換成第一和第二 DC輸出電壓。
[0048]在電池運行模式中，電路400在電力轉換周期的第一部分(例如，正的半周期)期間被配置和/或作為升壓轉換器運行，並且在電力轉換周期的第二部分(例如，負的半周期)期間電路400被配置為降升壓轉換器。從電池到分流DC總線，電力轉換周期的第一部分和第二部分可以同時執行。負向轉換器的拓撲結構包括第三繼電器250、第二電感器230、第二二極體234和第三二極體244。在一個實施方式中，第二二極體234和第三二極體244各自的額定電壓約為600V，然而，應該理解的是，第二二極體和第三二極體可以具有不同的額定電壓，本領域的技術人員將理解這種情況。在電池模式中，通過切換到NC位置的第三繼電器250，第二電感器230、第二二極體234和第三二極體244以串聯的方式耦合起來。在傳輸線模式中，通過將第三繼電器250切換到NO位置，第二電感器230與第二二極體234以串聯的方式耦合起來，並且旁路掉第三二極體244。
[0049]圖4B和4C是電路400的附加的原理圖，其中為了簡單起見，一些元件沒有顯示，圖4B顯示了被配置處於傳輸線運行模式的電路400，並且圖4C顯示了被配置處於備用運行模式的電路400。在圖4B中，電路400被配置為運行在傳輸線運行模式,其中第一繼電器218、第二繼電器238和第三繼電器250(顯示在圖4A中)各自移動到相應的NO位置。在AC輸入的正半周期期間，二極體252、第一繼電器218、第一開關212、第一電感器210、第一二極體214和第一電容器216作為升壓PFC轉換器運行。促使通過第一電感器210的電流跟隨AC輸入,並且第一電容器216可以保持在,例如,大約400V以用於230V傳輸線系統。在AC輸入的負半周期，二極體254、第二繼電器238、第三繼電器250、第二開關232、第二電感器230、第二二極體234和第二電容器236作為升壓PFC轉換器運行。通過第二電容器236的電流可以保持在，例如，大約400V以用於230V傳輸線系統。在傳輸線模式中，第三二極體244由第三繼電器250旁路掉。
[0050]在圖4C中，電路400被配置為運行在備用運行模式，其中第一繼電器218、第二繼電器238和第三繼電器250 (顯示在圖4A中)各自移動到相應的NC位置。使用單一的電池104,正向轉換器作為包括第一電感器210、第一開關212、第一二極體214和第一電容器216的升壓轉換器運行，其處理從電池104到正的DC總線220的電力。負向轉換器作為包括第二開關232、第三開關242、第二電感器230、第二二極體234和第三二極體244的降升壓轉換器運行，其處理從電池104到負的DC總線240的電力。如果第二開關232和第三開關242都開路(例如，斷開)，則第二電感器230中的電流慣性饋入第二電容器236，給第二電容器236充電。
[0051]為了降升壓運行，第三開關242在切換周期的開始時閉合(例如，接通)。在閉合第三開關242之前，第二開關232閉合，並且第二電感器230中的電流慣性流過第二開關232和第三二極體244，因此使第二二極體234斷開，例如第二二極體234兩端的電壓大約400V。第三開關242兩端的電壓此時大約處於電池電壓。在有限的延時(例如，在大約0.5微秒和大約1.5微秒之間)之後，第三開關242接通，這將其兩端的剩餘電壓(例如，電池電壓)施加到第三二極體244。用於第二開關232和第三開關242的一個示例性時序顯示在圖5中，其描述了第二開關232的開-關順序510和第三開關242的開-關順序512。在接通第二開關232和接通第三開關242之間的第一延時A可以，例如，在大約0.5微秒和大約
1.5微秒之間。在斷開第三開關242和斷開第二開關232之間的第二延時B可以，例如，在大約0.5微秒和大約1.5微秒之間。應該理解的是,在一些實施方式中，第一延時A和第二延時B可以具有不同的持續時間。
[0052]因為第二二極體234由第二開關232的反向並聯二極體進行鉗位，所以第二二極體234兩端的電壓不會增加到超過例如第二 DC總線240上的電壓。當第二開關232和第三開關242都斷開時，類似的原則也是可適用的。第三開關242可以在第二開關232之前斷開，諸如圖5顯示的，從而在達到電池電壓時斷開。在有限的延時(例如，在大約0.5微秒和大約1.5微秒之間)之後，第二開關232在DC總線電壓(例如，大約400V)也斷開。
[0053]圖6顯示了按照本發明的另一個實施方式的電路600的原理圖。電路600實質上類似於圖4A中示出的電路400，除了電路600不包含第三繼電器250 (如圖4A顯示的)以及第三開關242連接在電池104的正接線端和第二繼電器238的NC觸點之間之外。而且，第三二極體244連接在第二電容器236和第三開關242之間，與第二二極體234和第二電感器230並聯連接。
[0054]電路600包括正向升壓轉換器和負向升壓轉換器。正向升壓轉換器具有第一電感器210、第一開關212、第一二極體214和第一電容器216。負向升壓轉換器可切換地通過相輸入端112和二極體252耦合到外部電源102 (例如，AC輸電幹線，未顯示)，或者通過第一繼電器218耦合到電池104。應該理解的是，任何適當的開關器件可以用於代替本文所述的第一繼電器218和其他繼電器。第一繼電器218被配置為切換饋入外部電源102和電池104之間的正向升壓轉換器的電力。正向升壓轉換器耦合到第一 DC總線220和中性線路124。應該理解的是，DC總線不受限於特定類型的導體且可以包括任何適合類型的導電元件。
[0055]負向升壓轉換器具有第二電感器230、第二開關232、第二二極體234和第二電容器236。如上所述，第三二極體244連接在第二電容器236和第三開關242之間，與第二二極體234和第二電感器230並聯連接。負向升壓轉換器可切換地通過二極體254耦合到外部電源102 (未顯示)，或者通過第二繼電器238耦合到第三開關242。第二繼電器238被配置為切換饋入經由相輸入端112的外部電源102和經由第三開關242的電池104之間的負向升壓轉換器的電力。負向升壓轉換器被耦合到第二 DC總線240和中性線路124。
[0056]在傳輸線運行模式中，第一繼電器218和第二繼電器238各自移動到正常開路(NO)位置以將在輸入端112處的輸入AC傳輸線電壓耦合到電感器210和230，這樣正的和負的整流電壓被分別提供給電感器210和230。在控制器130 (未顯示)的控制下使用例如脈寬調製，電感器210連同第一開關212和二極體214作為正向升壓轉換器運行以在電容器216兩端提供正的DC電壓。類似地，同樣在控制器130的控制下使用例如脈寬調製，電感器230連同第二開關232和二極體234作為負向升壓轉換器運行以在電容器236兩端提供負的DC電壓。控制器可以控制升壓轉換器的運行以在不間斷電源的輸入端處提供功率因數校正。
[0057]在備用運行模式，正向升壓轉換器作為DC-DC升壓轉換器運行，並且負向升壓轉換器作為DC-DC降升壓轉換器運行。在AC電壓源102 (未顯示)出現故障時，在控制器130的控制下，繼電器218和238被移動到正常閉路(NC)位置以將電池104耦合到電感器210和230。使用電池電壓，正向升壓轉換器實質上按如上所述的(也就是，作為升壓轉換器)運行以在電容器216兩端產生DC電壓。為了在電容器236兩端產生負的電壓，在控制器130(未顯示)的控制下，伴隨第三開關242循環斷開和接通，第三開關242連同電感器230和二極體234作為降升壓電路運行。在一個例子中，在備用運行模式，在每個周期期間，第二開關232作為降升壓電路的一部分可以保持在接通、斷開或切換模式狀態中。
[0058]在本發明的另一個實施方式，供選擇的電路實質上類似於圖4A顯示的電路400，除了第三繼電器250與第三二極體244以並聯的方式進行耦合之外。第三繼電器250在傳輸線運行模式期間閉合在NO位置，並且在電池運行模式從NO位置處開路。然而和電路400不同，當從傳輸線運行模式切換到電池運行模式時，供選擇的電路的第三繼電器250不能在NO位置閉合。在從傳輸線模式切換到電池模式之前，第三繼電器250應當從NO位置處開路且進行檢測以確保它沒有卡在NO位置上。如果第三繼電器250在NO位置上閉路，供選擇的電路不能運行在電池模式中，因為當第三開關242閉合時，電池104將通過第三開關242、通過第三繼電器250、以及通過第二開關232的反向並聯二極體而短路。如果電池104以這種方式短路，則會引起部件的損毀或故障。
[0059]本發明的實施方式比現有的解決方案具有幾個優勢。例如，圖4A顯示的實施方式的一個優勢是第二二極體234和第三二極體244可以各自處於相對低電壓(例如，大約600V)，除了其他方面之外，如果第二二極體和第三二極體有更高的額定電壓(由於更低的反向恢復損耗)，則這允許第二開關232和第三開關242相比於可行的速度更加快速地切換，因此降低了切換損耗並改善了效率。另一個優勢是第三繼電器250的故障不會引起UPS的災難性故障。例如，如果第三開關242在傳輸線運行模式期間在NO位置上出現故障，那麼傳輸線運行模式不受影響。類似地，如果第三開關242在備用運行模式期間在NC位置上出現故障，那麼備用運行模式不受影響，並且傳輸線運行模式仍然可以使用穿過第三二極體244的電流實現，如同圖3的電路中的情況。
[0060]任何前述實施方式可以實現在UPS中，例如，使用DC電池作為備用電源的UPS。UPS可以被配置為提供備用電力給任何數量的電力消耗設備，例如計算機、伺服器、網絡路由器、空調單元、照明設備、安保系統、或需要不間斷電力的其他設備和系統。UPS可以包含或耦合到控制UPS運行的控制器或控制單元。例如，控制器可以給電路裡的每個切換設備提供脈衝寬度調製(PWM)信號用於控制電力轉換功能。在另一個例子中，控制器可以為繼電器提供控制信號。通常，控制器控制UPS的運行，使其在可以使用來自AC電源的電力時，從AC電源給電池充電，並且當AC電源不能用或處於電壓過低的情況時，逆變來自電池的DC電力。控制器可以包含以任何方式組合的硬體、軟體、固件、處理器、存儲器、輸入/輸出接口、數據總線、和/或其他元件，它們可以用於實現控制器的相應功能。
[0061]在如上所述的實施方式中，電池用作備用電源。在其他實施方式中，可以使用其他AC或DC備用源和設備，包括燃料電池、光電池、DC微型渦輪機、電容器、供選擇的AC電源，和任何其他合適的電源，或者任何它們的組合。在利用電池作為備用電源的本發明的實施方式中，電池可以由以並聯或串聯方式耦合的多個電池單元組成。
[0062]在一個或多個前述實施方式中，切換器件可以是任何電子的或機電的器件，其以受控的方式(例如，通過使用控制信號)傳導電流且能夠隔離導電通路。圖中的各種切換器件和其他電子器件的表示是示例性的且不意在是限制性的，因為本領域的技術人員將理解的是，使用各種類型、布置和配置的器件可以獲得相似的或相同的功能。例如，一個或多個切換器件可以含有一個或多個反向並聯二極體，或這些二極體可以與這些切換器件分開。如上所述，在一些實施方式中，切換設備包括整流器，例如，能夠通過應用控制信號而接通和斷開的受控整流器(例如，SCR、晶閘管等等)。此外，其他元件，例如電阻器、電容器、電感器、電池、電源、負載、變壓器、繼電器、二極體和類似元件可以包含在單一的器件或多個連接的器件中。
[0063]在如上所述的實施方式中，描述了供不間斷電源使用的整流器/升壓電路，然而應該理解的是，本文所述的電路可以供其他類型的電源使用。
[0064]本發明的實施方式可供具有各種輸入電壓和輸出電壓的不間斷電源使用，且可以用於單相或多相不間斷電源。
[0065]至此，已經描述了本發明的至少一個實施方式的幾個方面，本領域的技術人員將理解的是，各種替代、修改和改進將是很容易出現的。這些替代、修改和改進意在屬於本公開內容的一部分，並且意在本發明的精神和範圍內。例如，用於使電力轉換器的切換設備運行的選通脈衝可以在頻率、佔空比、或這兩者上變化。而且，可以利用電氣部件的供選擇的配置來產生相似的功能，例如，逆變器功能和充電器功能，或者其他功能。因此，前述的描述和附圖僅僅是示例性的。
【權利要求】
1.一種電力轉換器，包括: 第一電力輸入端，所述第一電力輸入端接收AC輸入電力； 第二電力輸入端，所述第二電力輸入端接收備用電力； 第一 DC總線，所述第一 DC總線被配置為提供正的DC輸出電壓； 第二 DC總線，所述第二 DC總線被配置為提供負的DC輸出電壓；以及 電力轉換電路，所述電力轉換電路可切換地耦合到所述第一電力輸入端和所述第二電力輸入端，所述電力轉換電路可運行以產生所述正的DC輸出電壓和負的DC輸出電壓，並且被配置為:在備用運行模式中，通過所述電力轉換電路的第一電流通路使用所述備用電力來產生所述負的DC輸出電壓，並且在傳輸線運行模式中，通過所述電力轉換電路的第二電流通路使用所述AC輸入電力來產生所述負的DC輸出電壓，所述第一電流通路包括耦合在所述第二電力輸入端和所述第二 DC總線之間的第一二極體，所述第二電流通路旁路掉所述第一二極體且包括耦合在所述第一電力輸入端和所述第二 DC總線之間的第二二極體。
2.如權利要求1所述的電力轉換器，其中所述第一二極體具有第一陰極和第一陽極，其中所述第二二極體具有第二陰極，其中所述電力轉換電路包括電感元件和具有閘刀、第一觸點和第二觸點的開關，所述閘刀耦合到所述電感元件，所述第一觸點耦合到所述第一二極體的第一陰極，所述第二觸點耦合到所述第一二極體的第一陽極和所述第二二極體的第二陰極，所述開關被配置為當所述第一觸點閉合時形成所述第一電路的一部分且當所述第二觸點閉合時形成所述第二電路的一部分。
3.如權利要求1所述的電力轉換器，其中所述第一二極體的額定電壓約為600V，並且其中所述第二二極體的額定電壓約為600V。
4.如權利要求1所述的電力轉換器，其中所述第二二極體包括耦合到所述第二DC總線的第二陽極。`
5.如權利要求1所述的電力轉換器，其中所述第二電力輸入端被耦合到電池。
6.如權利要求5所述的電力轉換器，其中所述電池包括負接線端，並且其中所述電力轉換器還包括連接電路，該連接電路被配置為可切換地將所述電感元件耦合到所述第一電力輸入端和所述電池的負接線端中的一個。
7.如權利要求6所述的電力轉換器，其中所述電感元件以串聯方式耦合在所述連接電路和所述第二二極體之間。
8.如權利要求1所述的電力轉換器，其中所述第一二極體與所述第二二極體以並聯方式耦合起來。
9.如權利要求1所述的電力轉換器，其中所述電力轉換電路被配置為在第一配置和第二配置之間可切換，並且其中所述電力轉換電路的第一配置包括升壓轉換器電路且所述電力轉換電路的第二配置包括降升壓轉換器電路。
10.一種向負載提供電力的方法，所述方法包括: 檢測來自主電源的輸入電力的消失； 響應於檢測到所述輸入電力的消失，在備用運行模式中，通過第一電流通路使用所述備用電源來產生負的DC輸出電壓，所述第一電流通路包括耦合在所述備用電源和DC電力總線之間的第一二極體； 檢測來自所述主電源的輸入電力的存在；及響應於檢測到所述輸入電力的存在，在傳輸線運行模式中，通過第二電流通路使用所述主電源產生所述負的DC輸出電壓，所述第二電流通路旁路掉所述第一二極體且包括耦合在所述主電源和所述DC電力總線之間的第二二極體。
11.如權利要求10所述的方法，還包括:在所述備用運行模式中，使用開關將所述第一二極體的第一陰極耦合到電感元件以構成所述第一電流通路的一部分，所述第一電流通路包括所述第一二極體、所述第二二極體和所述電感元件，這樣所述第一二極體以串聯的方式耦合在所述電感元件和所述第二二極體之間。
12.如權利要求11所述的方法，還包括:在所述傳輸線運行模式中，使用所述開關將所述第一二極體的第一陰極從所述電感元件解耦，並且使用所述開關將所述第二二極體的第二陰極耦合到所述電感元件以構成所述第二電流通路的一部分，所述第二電流通路旁路掉所述第一二極體且包括所述第二二極體和所述電感元件。
13.如權利要求12所述的方法，其中第一切換元件以串聯的方式耦合在所述第一二極體的第一陰極和電池之間，其中第二切換元件耦合到所述第一二極體的第一陽極和所述第二二極體的第二陰極，並且其中所述方法還包括在使所述第二切換元件通電第一時間量之後使所述第一切換元件通電。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述第一時間量處於大約0.5微秒和大約1.5微秒之間。
15.如權利要求13所述的方法，還包括在使所述第二切換元件斷電第二時間量之前使所述第一切換元件斷電。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述第二時間量處於大約0.5微秒和大約1.5微秒之間。
17.一種電力轉換器·，包括: 第一電力輸入端，所述第一電力輸入端接收AC輸入電力； 第二電力輸入端，所述第二電力輸入端接收備用電力； 電力輸出端，所述電力輸出端提供源自所述AC輸入電力和所述備用電力中的至少一個的輸出電力； 第一二極體和第二二極體；以及 裝置，所述裝置用於在備用運行模式中，通過所述第一二極體和所述第二二極體使用所述備用電力來向所述電力輸出端提供負的DC輸出電壓，並且在傳輸線運行模式中，通過所述第二二極體使用所述AC輸入電力來向所述電力輸出端提供所述負的DC輸出電壓。
18.如權利要求17所述的電力轉換器，其中在所述備用運行模式中，所述第一二極體和所述第二二極體各自耦合在所述第二電力輸入端和所述電力輸出端之間，並且其中在所述傳輸線運行模式中，所述第二二極體耦合在所述第一電力輸入端和所述電力輸出端之間。
19.如權利要求17所述的電力轉換器，其中在所述傳輸線運行模式中所述第一二極體被芳路掉。
20.如權利要求17所述的電力轉換器，其中所述電力轉換器被配置為在第一配置和第二配置之間可切換，並且其中所述第一配置包括升壓轉換器電路且所述第二配置包括降升壓轉換器電路。
【文檔編號】H02M3/156GK103828185SQ201280046382
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年7月26日 優先權日:2011年7月28日
【發明者】錢德拉塞卡蘭·加雅拉曼, 因德拉·普拉卡什, D·克裡基克 申請人:施耐德電氣It公司