能夠提供正弦波輸出交流電壓的不斷電電源供應器的製作方法
2023-04-24 11:28:16
專利名稱：能夠提供正弦波輸出交流電壓的不斷電電源供應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種不斷電電源供應器，特別涉及一種能夠提供正弦波輸出交流電壓的不斷電電源供應器。
背景技術：
隨著信息工業的迅速發展及高科技產業的高速擴張，不斷電電源供應器(uninterruptible power supply，UPS)已經成為大量電子裝置使用的緊急電源供應裝置。大部分的精密電子儀器與通訊設備需要依賴高品質的電源供應來維持正常的運作情形。目前，不斷電電源供應器已經成為在斷電情況下確保最佳供電品質的一個最佳化方案。
圖1顯示公知不斷電電源供應器的部分系統方框圖，其圖例說明公知不斷電電源供應器在市電異常或中斷時的操作。當市電異常或中斷時，直流-直流轉換器(DC-DC converter)21將電池23所提供的電壓轉換成升壓的直流電壓。逆變器22將這個升壓的直流電壓轉換成輸出交流電壓以便提供給負載(未顯示)。一般而言不斷電電源供應器的輸出交流電壓是一個方波交流電壓(square-wave AC voltage)，其會對電感性負載(inductive load)，如變壓器(transformer)或電動馬達(electromotor)等造成損害。因此，高級的不斷電電源供應器通常必須提供正弦波輸出交流電壓(sinusoidal-wave output AC voltage)輸出以確保在市電異常或中斷時負載的正常運作。然而，若要使不斷電電源供應器能夠輸出正弦波交流電壓，不斷電電源供應器需要複雜的線路設計才能達到，從而導致不斷電電源供應器的成本增加。同時，複雜的線路設計也會增加不斷電電源供應器的功率損耗(power loss)。
因此便需要改進公知不斷電電源供應器的電路設計，使其能夠在簡單的線路結構下提供正弦波輸出交流電壓。
發明內容
本發明的目的在於提供一種不斷電電源供應器，其能夠在市電異常或中斷時，提供正弦波輸出交流電壓。
本發明的另一目的在於提供一種能夠提供正弦波輸出交流電壓的不斷電電源供應器，其能夠以簡化的線路設計以及較佳的電源效率來提供正弦波輸出交流電壓。
本發明的一優選實施例提出一種不斷電電源供應器，其包含電池組；直流-直流轉換器單元，耦接至該電池組，其設定為將該電池組所提供的直流電壓轉換成全波整流的直流電壓；以及逆變器，耦接至該直流-直流轉換器單元，其設定為將該全波整流的直流電壓轉換成正弦波輸出交流電壓，其中該直流-直流轉換器單元由多個直流-直流轉換器組成，其中所述多個直流-直流轉換器的多個輸入端互相併聯後連接至該電池組，並且所述多個直流-直流轉換器的多個輸出端互相串聯後連接至該逆變器，每個直流-直流轉換器設定為將該電池組所提供的一直流電壓轉換成輸出直流電壓，其中將所述多個直流-直流轉換器的輸出直流電壓相加以形成該全波整流的直流電壓。
本發明所述的不斷電電源供應器，還包含能量回收轉換器，耦接於該直流-直流轉換器單元的輸出端與該電池組之間，其設定為將該不斷電電源供應器的多餘能量回收至該電池組。
本發明所述的不斷電電源供應器，其中該能量回收轉換器由直流-直流轉換器組成。
本發明所述的不斷電電源供應器，其中該能量回收轉換器設定為在該不斷電電源供應器以市電供應電源時，對該電池組充電。
本發明所述的不斷電電源供應器，還包含控制器，其設定為將該直流-直流轉換器單元所輸出的該全波整流的直流電壓與參考電壓作比較，並根據比較結果來控制該直流-直流轉換器單元、該逆變器以及該能量回收轉換器的開關切換。
本發明所述的不斷電電源供應器，還包含能量回收轉換器，耦接於該逆變器的輸入端，其設定為將該不斷電電源供應器的多餘能量回收至該電池組。
本發明所述的不斷電電源供應器，其中該能量回收轉換器設定為在該不斷電電源供應器以市電供應電源時，對該電池組充電。
本發明所述的不斷電電源供應器，還包含數字控制器，其設定為將該直流-直流轉換器單元所輸出的該全波整流的直流電壓與參考電壓作比較，並根據比較結果來控制該直流-直流轉換器單元、該逆變器以及該能量回收轉換器的開關切換。
本發明所述的不斷電電源供應器，其中該直流-直流轉換器單元由第一直流-直流轉換器以及第二直流-直流轉換器組成，並且在該直流-直流轉換器單元的輸出電壓的整個周期內，該第一直流-直流轉換器和該第二直流-直流轉換器的其中之一以可變的任務周期來進行開關切換，而另外一個直流-直流轉換器以固定的任務周期來進行開關切換。
本發明所述的不斷電電源供應器，其中該直流-直流轉換器單元由第一直流-直流轉換器和第二直流-直流轉換器組成，並且在該直流-直流轉換器單元的輸出電壓的整個周期內，該第一直流-直流轉換器和該第二直流-直流轉換器都以可變的任務周期來進行開關切換。
本發明的另一優選實施例提出一種使不斷電電源供應器提供正弦波輸出交流電壓的方法，該方法包含下列步驟提供電池組、直流-直流轉換器單元以及逆變器，其中該直流-直流轉換器單元由多個直流-直流轉換器所組成。接著，藉由該電池組提供電池電壓至該直流-直流轉換器單元。接著，將該電池電壓經由所述多個直流-直流轉換器轉換成多個輸出直流電壓。接著，將多個輸出直流電壓相加成為全波整流的直流電壓。最後，該全波整流的直流電壓經由該逆變器轉換成正弦波輸出交流電壓。
本發明所述的方法，其中該直流-直流轉換器單元由第一直流-直流轉換器和第二直流-直流轉換器組成，該第一直流-直流轉換器經由第一開關裝置調節作用將該電池電壓轉換成直流電壓，並且第二直流-直流轉換器經由第二開關裝置調節作用將該電池電壓轉換成直流電壓，其中該第一開關裝置調節作用藉由可變的任務周期來達到，而該第二開關裝置調節作用藉由固定的任務周期來達到。
本發明所述的方法，其中該直流-直流轉換器單元由第一直流-直流轉換器和第二直流-直流轉換器組成，該第一直流-直流轉換器經由第一開關裝置調節作用將該電池電壓轉換成直流電壓，並且該第二直流-直流轉換器經由第二開關裝置調節作用將該電池電壓轉換成直流電壓，其中該第一開關裝置調節作用與該第二開關裝置調節作用都藉由可變的任務周期來達到。
本發明所述的方法，還包含以下步驟提供能量回收裝置；以及藉由該能量回收裝置將該不斷電電源供應器的多餘能量回收至該電池組。
圖1顯示公知不斷電電源供應器的部分系統方框圖；圖2顯示根據本發明的不斷電電源供應器的系統方框圖；圖3顯示根據本發明的不斷電電源供應器的直流-直流轉換器單元的電路示意圖；圖4顯示根據本發明的不斷電電源供應器的直流-直流轉換器單元與逆變器以及能量回收轉換器的第一優選實施例的電路示意圖；圖5顯示根據本發明的不斷電電源供應器的直流-直流轉換器單元與逆變器及能量回收轉換器的第二優選實施例的電路示意圖；圖6顯示根據本發明的不斷電電源供應器的直流-直流轉換器單元與逆變器以及能量回收轉換器的第三優選實施例的電路示意圖；圖7顯示根據本發明的不斷電電源供應器的直流-直流轉換器單元與逆變器以及能量回收轉換器的一種變形的電路示意圖；圖8(A)顯示第一直流-直流轉換器、第二直流-直流轉換器以及直流-直流轉換器單元的輸出電壓波形圖；以及圖8(B)顯示第一直流-直流轉換器、第二直流-直流轉換器以及直流-直流轉換器單元的輸出電壓波形圖。
其中，附圖標記說明如下21直流-直流轉換器 22逆變器23電池100不斷電電源供應器10電池組11直流-直流轉換器單元12逆變器 13能量回收轉換器14數字控制器15繼電器 16輸入濾波器111第一直流-直流轉換器112第二直流-直流轉換器 411，421，132，712，713開關裝置412高頻變壓器 413整流器電路 131變壓器133整流二極體
具體實施例方式
本發明的優點與特徵藉由下面實施例配合附圖詳細說明，得到更深入的了解。
體現本發明的特徵與優點的優選實施例將在後面的說明中詳細敘述。須注意的是相同的元件標號代表相同的元件。應理解的是本發明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其都不脫離本發明的範圍，並且其中的說明以及附圖標記在本質上用作說明，而並非用以限制本發明。
本發明的不斷電電源供應器的系統結構顯示於圖2。如圖2所示，本發明的不斷電電源供應器100包含輸入濾波器(input filter)16、繼電器(relay)15、電池組(battery pack)10、直流-直流轉換器單元(DC-DC converter unit)11、逆變器(inverter)12、數字控制器(digital controller)14以及能量回收轉換器(energyrecycle converter)13。輸入濾波器16設定為將市電所供應的輸入交流電壓的電磁幹擾消除。繼電器15耦接於輸入濾波器16的輸出端，其接受數字控制器14的控制於輸入交流電壓正常時關閉以便將輸入交流電壓傳送至負載，而在輸入交流電壓中斷或異常時開啟以便將電源供應切換至由逆變器12來提供。電池組10設定為當輸入交流電源正常時儲存能量，而當輸入交流電源異常或中斷時釋放其所儲存的能量。直流-直流轉換器單元11由多個直流-直流轉換器組成，其耦接至電池組10並且設定為接收電池組10所輸出的電流，以便將電池組10的直流電壓轉換成全波整流的直流電壓(full-waverectified DC voltage)。逆變器12耦接至直流-直流轉換器單元11的輸出端，其將直流-直流轉換器單元11所輸出的全波整流的直流電壓轉換成正弦波輸出交流電壓。能量回收轉換器13耦接於逆變器12的輸入端，其設定為將不斷電電源供應器100的多餘能量回收至電池組10。數字控制器14設定為控制繼電器15的開關切換，以及控制直流-直流轉換器單元11、逆變器12以及能量回收轉換器13內部的開關切換。須注意的是在整份說明書中，相同的元件編號表示相同的電路元件。
圖3顯示直流-直流轉換器單元11的結構示意圖。如圖3所示，在本實施例中直流-直流轉換器單元11由第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112組成，其中第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112的電壓輸入端為互相併聯後連接至電池10，而其電壓輸出端為互相串聯後連接至逆變器12的輸入端。第一直流-直流轉換器111設定為接收圖1所示的電池組10的直流電壓，並將電池組10的直流電壓轉換成第一輸出直流電壓Vd1。第二直流-直流轉換器112設定為接收圖1所示的電池組10的直流電壓，並將電池組10的直流電壓轉換成第二輸出直流電壓Vd2。將第一直流-直流轉換器111的第一輸出直流電壓與第二直流-直流轉換器112的第二輸出直流電壓設定為在直流-直流轉換器單元11的輸出端上相加，而其總和為全波整流的直流電壓Vd。
圖4顯示根據本發明的不斷電電源供應器的直流-直流轉換器單元與逆變器以及能量回收轉換器的第一優選實施例的電路示意圖。如圖4所示，第一直流-直流轉換器111為電流饋入全橋直流-直流轉換器(current-fedfull-bridge DC-DC converter)，其由開關裝置411、高頻變壓器412以及整流器電路413組成。在圖4中，第一直流-直流轉換器111設定為接收電池組10所提供的直流電壓，並藉由開關裝置411的重複開關操作將電池組10所提供的直流電壓轉換成一個方波交流電壓。該方波交流電壓藉由使用高頻變壓器412而轉變成一個具有所想要的電壓值的交流電壓，並且藉由使用整流器電路413轉換成第一輸出直流電壓Vd1。第二直流-直流轉換器112由降壓轉換器(buck converter)組成，其藉由開關裝置421將電池組10的直流電壓調降為第二輸出直流電壓Vd2。開關裝置411與開關裝置421的開關切換由圖1所示的數字控制器14控制。
本發明的不斷電電源供應器的最顯著的特徵為直流-直流轉換器單元11由兩個直流-直流轉換器111、112組成，其中每個直流-直流轉換器設定為提供一部分的直流-直流轉換器單元11的輸出直流電壓Vd。藉由將直流-直流轉換器111與直流-直流轉換器112的輸出端串聯，直流-直流轉換器111與直流-直流轉換器112的輸出直流電壓便可組合成一個全波整流的直流電壓。藉此，逆變器12可將直流-直流轉換器單元11所提供的全波整流的直流電壓轉換成正弦波交流電壓以便輸出。
第一直流-直流轉換器111與直流-直流轉換器112的輸出電壓波形有多種組合。第一種可能的組合為第一直流-直流轉換器111所輸出的第一輸出直流電壓Vd1與第二直流-直流轉換器112所輸出的第二輸出直流電壓Vd2均為波形相同的全波整流的直流電壓，其中這些全波整流的直流電壓的總和等於直流-直流轉換器單元11的輸出直流電壓Vd的電壓值。第二種可能的組合為第一直流-直流轉換器111所輸出的第一輸出直流電壓Vd1的波形為類似半波整流的波形，而第二直流-直流轉換器112所輸出的第二輸出直流電壓Vd2的波形為梯形波(trapezoid wave)，如圖8(A)所示。第三種可能的組合為第一直流-直流轉換器111所輸出的第一輸出直流電壓Vd1的波形為類似半波整流的波形與類似鋸齒波(sawtooth wave)的混合波形(composite)，而第二直流-直流轉換器112所輸出的第二輸出直流電壓Vd2的波形為方波(squarewave)，如圖8(B)所示。
請參見圖4與圖8(A)，現在以圖4的電路結構以及圖8(A)的電壓波形來說明本發明的不斷電電源供應器的優點。假設圖1所示的電池組10的電壓為直流-直流轉換器單元11的輸出電壓Vd的電壓峰值的一半。由於第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112的輸出端為串聯，第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112的輸出電流均等於負載電流。因此第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112的輸出功率便可藉由比較第一輸出直流電壓Vd1在時間軸上的面積與第二輸出直流電壓Vd2在時間軸上的面積而得到。由圖8(A)的電壓波形圖可知，第一直流-直流轉換器111的輸出功率超過直流-直流轉換器單元11的總輸出功率的60％，而第二直流-直流轉換器112的輸出功率小於直流-直流轉換器單元11的總輸出功率的40％。這樣一來，直流-直流轉換器單元11的變壓器體積將大幅減小。此外，在時間周期t1-t3內，第二直流-直流轉換器112不進行斬波處理(chopping)，因此第二直流-直流轉換器112內部不會產生開關損耗(switchingloss)。此外，由於第二直流-直流轉換器112在時間周期t1-t3內的輸出功率超過直流-直流轉換器單元11的總輸出功率的50％，藉此可以大幅度降低直流-直流轉換器單元11的功率損耗(power loss)。
由上述說明可知，第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112的輸出電壓與輸出功率的分配是相當彈性的。因此，直流-直流轉換器單元11的開關調節(switching regulation)可採用多種控制技巧來達到。舉例來說，可設定當直流-直流轉換器單元11的輸出電壓Vd小於特定值時，由第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112的的其中一個直流-直流轉換器，如第一直流-直流轉換器111來完全提供直流-直流轉換器單元11的輸出電壓Vd。因此，在這段時間內，另一個直流-直流轉換器便不會產生任何開關損耗，從而也會提高直流-直流轉換器單元11的轉換效率。當直流-直流轉換器單元11的輸出電壓Vd等於或大於該特定值時，第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112的其中一個直流-直流轉換器以固定的任務周期(duty cycle)來進行開關切換，而另外一個直流-直流轉換器則提供輸出電壓的波形補償，使得直流-直流轉換器單元11能夠輸出所想要的全波整流的直流電壓。也就是說，在輸出電壓的整個周期內，一個直流-直流轉換器設定為以可變的任務周期來進行高頻的開關切換，而另外一個直流-直流轉換器設定為以固定的任務周期來進行開關切換。
請參見圖4與圖8(B)，現在以圖4的電路結構以及圖8(B)的電壓波形來說明上述直流-直流轉換器單元11的開關調節的控制技巧。在這個例子中，第二直流-直流轉換器112的開關421隻會進行低頻斬波(low-frequencychopping)，因此開關421的開關損耗便可忽略不計，同時對開關421的高頻特性的要求也可以降低。在時間周期t0-t1以及時間周期t3-t4內，第二直流-直流轉換器112設定為以固定的任務周期(任務周期為0)來進行開關切換，而由第一直流-直流轉換器111來完全提供直流-直流轉換器單元11的輸出電壓Vd。在時間周期t1-t3內，第二直流-直流轉換器112設定為以固定的任務周期(任務周期為1)來進行開關切換，而第一直流-直流轉換器111設定為以可變的任務周期來進行開關切換，以向直流-直流轉換器單元11的輸出電壓Vd提供波形補償。
另外一種可供選擇的直流-直流轉換器單元11的開關調節的控制技巧說明如下。當直流-直流轉換器單元11的輸出電壓Vd小於特定值時，由第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112的其中一個直流-直流轉換器來完全提供直流-直流轉換器單元11的輸出電壓Vd。當這個直流-直流轉換器的輸出電壓達到最大值時保持最大電壓輸出，而另一個直流-直流轉換器開始工作以向直流-直流轉換器單元11的輸出電壓Vd提供波形控制。也就是說，在輸出電壓的整個周期內，第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112都是以可變的任務周期來進行開關切換。這種控制技巧可參照圖8(A)來獲得更進一步的了解。
上述控制技巧的優點在於只需要一個控制器便可控制直流-直流轉換器單元11的所有直流-直流轉換器，並且可確保在任何時刻以最少數目的轉換器在工作。利用這種控制技巧，直流-直流轉換器單元11的開關損耗得以降低，並且直流-直流轉換器單元11的轉換效率(conversion efficiency)得以提升。
須注意的是，第二直流-直流轉換器112可由非隔離式直流轉換器(non-isolated DC-DC converter)來實現，例如降壓轉換器(buck converter)、升壓轉換器(boost converter)、降壓-升壓轉換器(buck-boost converter)、邱克轉換器(cuk converter)。此外，第二直流-直流轉換器112也可由隔離式直流轉換器(isolated DC-DC converter)來實現，例如電流饋入半橋直流-直流轉換器(current-fed half-bridge DC-DC converter)、電流饋入全橋直流-直流轉換器(current-fed full-bridge DC-DC converter)、電流饋入推挽式直流-直流轉換器(current-fed push-pull DC-DC converter)、前向轉換器(forward converter)、反馳式轉換器(flyback converter)。如圖5所示，在本發明的第二優選實施例中，第二直流-直流轉換器112由電流饋入全橋直流-直流轉換器來實現。
在圖4中，直流-直流轉換器單元11由第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112組成，並且第一直流-直流轉換器111與第二直流-直流轉換器112的電壓輸入端為互相併聯而電壓輸出端為互相串聯。這種結構的優點在於可降低直流-直流轉換器單元11的輸出端上的電壓應力(voltagestress)。請參見圖6，其顯示根據本發明的不斷電電源供應器的直流-直流轉換器單元與逆變器以及能量回收轉換器的第三優選實施例的電路示意圖，其中第一直流-直流轉換器111以降壓式電流饋入全橋直流-直流轉換器(buckcurrent-fed full-bridge DC-DC converter)來實現，而第二直流-直流轉換器112以降壓轉換器來實現。如果採用一個單一的電流饋入式直流-直流轉換器來實現直流-直流轉換器單元11，在逆變器12輸出220V的輸出交流電壓的情形下，設置於電流饋入式直流-直流轉換器內部的變壓器的次級側(secondaryside)上的整流器電路所受到的電壓應力至少會等於輸出交流電壓的峰值311V。在實際電路實施的情形下，整流器電路所受到的電壓應力會更大。但是若選擇採用本發明的拓僕結構以兩個直流-直流轉換器來實現直流-直流轉換器單元11，所述兩個直流-直流轉換器所提供的輸出電壓峰值可以均為155.5V。這樣一來，設置於變壓器的次級側上的整流二極體所受到的電壓應力便可減少，同時也可減少直流-直流轉換器單元11的功率損耗。
能量回收轉換器13設定為回收不斷電電源供應器100的多餘能量(redundant energy)至電池組10。假設不斷電電源供應器100的輸出端連接至輕負載(light load)，並且該負載為電阻性負載。如圖4所示，位於直流-直流轉換器單元11的輸出端上的輸出電容的放電特性使得即使直流-直流轉換器單元11不提供任何能量給輸出電容，該輸出電容上的電壓波形也不能保持與全波整流的直流電壓Vd的給定波形一致，從而導致最小的直流-直流轉換器單元11的輸出電壓Vd不為零。此外，假設不斷電電源供應器100向電感性負載(inductive load)供電時，由於不斷電電源供應器100的輸出電壓和輸出電流相位的不一致，導致輸出電壓換相時，輸出電流會反向流入逆變器12。這時即使直流-直流轉換器單元11不提供任何能量給輸出電容，該輸出電容上的電壓也會因為電感性電流的反向流入而上升，從而導致電壓波形的改變。在這些例子中，直流-直流轉換器單元11的輸出端上的輸出電容上的電壓等於在一個全波整流的直流電壓上疊加了一個直流電壓，這個直流電壓代表了不斷電電源供應器100的多餘能量。為了避免能量的閒置並且提供高性能的輸出電壓，本發明的不斷電電源供應器100採用能量回收轉換器13將這些多餘能量回收給電池組10充電。
由分析可知，由於輕負載所產生的多餘能量會發生在直流-直流轉換器單元11所輸出的全波整流的直流電壓Vd的下降段(trailing edge)，例如圖8(A)的時間周期t2～t4，而由於電感性負載所產生的多餘能量則通常發生在該直流電壓Vd的上升階段(rising edge)，例如圖8(A)的時間周期t0～t2。
在本發明的優選實施例中，能量回收轉換器13是一個降壓-升壓轉換器(buck-boost converter)，如圖4與圖6所示。現在以圖6的例子來說明能量回收轉換器13的工作原理。如果圖1所示的數字控制器14檢測到需要回收多餘能量時，數字控制器14將檢測此時直流-直流轉換器單元11的輸出電壓的瞬時值。如果該瞬時值高於電池電壓，能量回收轉換器13將啟動降壓模式。反之，則啟動升壓模式，將多餘能量從直流-直流轉換器單元11的輸出端轉移到電池組10上。
除此之外，能量回收轉換器13還可以充當電池組10的充電器。當市電正常而電池組10需要充電時，逆變器12將作用為一個沒有穩壓控制(unregulated)的整流橋式電路(rectifying bridge circuit)，從而在直流-直流轉換器單元11的輸出端形成一個固定的直流電壓。該直流電壓藉由能量回收轉換器13以降壓模式對電池組10進行充電。
圖7顯示了根據本發明的不斷電電源供應器的直流-直流轉換器單元與逆變器以及能量回收轉換器的一種變形的電路示意圖，其中能量回收轉換器13的一部分會與第二直流-直流轉換器112合併。在這個例子中，第二直流-直流轉換器112由降壓轉換器組成而能量回收轉換器13由降壓-升壓轉換器組成，其中能量回收轉換器13耦接於逆變器12的輸入端與第二直流-直流轉換器112之間。第二直流-直流轉換器112在MOSFET電晶體開關712的源極端(source terminal)與接地端之間耦接了一個額外的電晶體開關713，其由雙極結型電晶體(bipolar junction transistor)組成，並且能量回收轉換器13的輸出端連接至MOSFET電晶體開關712與輸出端之間。第二直流-直流轉換器112將構成一個同步整流電路，其可對第二直流-直流轉換器112的輸出電容上的多餘能量進行自動回收。同時，該額外電晶體開關713還可作用為能量回收轉換器13在升壓模式工作時的開關裝置。
須注意的是能量回收轉換器13也可由任何一種直流-直流轉換器來實現。如圖5所示，能量回收轉換器13由前向轉換器來實現，其包含變壓器131與耦接至變壓器的初級側(primary side)的電晶體開關132，以及耦接至變壓器的次級側(secondary side)的整流二極體(rectifying diode)133，其中變壓器131的初級繞組(primary winding)設定為在電晶體開關132導通(turn on)時將不斷電電源供應器100的多餘能量儲存起來，並且在電晶體開關132截止(turn off)時將初級繞組所儲存的能量傳送至變壓131器的次級側，以便經由整流二極體133向電池組10充電。
為了實現上述的電路操作，數字控制器14設定為用來檢測直流-直流轉換器單元11的輸出電壓Vd並將輸出電壓Vd與參考電壓作比較，以便根據比較的結果輸出脈衝寬度調變信號(PWM signals)來控制直流-直流轉換器單元11、逆變器12以及能量回收轉換器13的開關切換。
綜合以上所述，本發明提出一種不斷電電源供應器，其能夠在市電異常或中斷的時候，提供正弦波輸出交流電壓給負載。本發明的不斷電電源供應器的主要特徵在於內部的直流-直流轉換器單元由第一直流-直流轉換器與第二直流-直流轉換器組成，其中第一直流-直流轉換器與第二直流-直流轉換器的電壓輸入端互相併聯後耦接至電池組，而其電壓輸出端互相串聯後耦接至逆變器的輸入端。藉由不斷電電源供應器的數字控制器來控制所述兩個直流-直流轉換器的開關切換，第一直流-直流轉換器與第二直流-直流轉換器可分別輸出第一輸出直流電壓與第二輸出直流電壓。由於第一直流-直流轉換器與第二直流-直流轉換器的電壓輸出端互相串聯的關係，第一直流-直流轉換器所輸出的第一輸出直流電壓與第二直流-直流轉換器所輸出的第二輸出直流電壓能夠相加成為全波整流的直流電壓，以便藉由逆變器將該全波整流的直流電壓轉換成正弦波輸出交流電壓。此外，第一直流-直流轉換器的輸出功率與第二直流-直流轉換器的輸出功率以及直流-直流轉換器單元的總輸出功率之間的比例值可以彈性調整，並且第一直流-直流轉換器的電路系統與第二直流-直流轉換器的電路系統可根據實際應用上的需求來設計，藉此可大幅度減少直流-直流轉換器單元的開關損耗並提升直流-直流轉換器單元的轉換效率。除此之外，本發明的不斷電電源供應器還提供一個能量回收轉換器，其可將不斷電電源供應器的多餘能量回收給電池組，也可作為電池組的充電器來使用。
本發明可以由熟知本領域的技術人員做出各種修改，然而都不脫離所附權利要求書所要保護的範圍。
權利要求
1.一種不斷電電源供應器，其包含電池組；直流-直流轉換器單元，耦接至該電池組，其設定為將該電池組所提供的直流電壓轉換成全波整流的直流電壓；以及逆變器，耦接至該直流-直流轉換器單元，其設定為將該全波整流的直流電壓轉換成正弦波輸出交流電壓；其中該直流-直流轉換器單元由多個直流-直流轉換器組成，其中所述多個直流-直流轉換器的多個輸入端互相併聯後連接至該電池組，並且所述多個直流-直流轉換器的多個輸出端互相串聯後連接至該逆變器，每個直流-直流轉換器設定為將該電池組所提供的直流電壓轉換成輸出直流電壓，並且將所述多個直流-直流轉換器的輸出直流電壓相加成為該全波整流的直流電壓。
2.如權利要求1所述的不斷電電源供應器，還包含能量回收轉換器，耦接於該直流-直流轉換器單元的輸出端與該電池組之間，其設定為將該不斷電電源供應器的多餘能量回收至該電池組。
3.如權利要求2所述的不斷電電源供應器，其中該能量回收轉換器由直流-直流轉換器組成。
4.如權利要求3所述的不斷電電源供應器，其中該能量回收轉換器設定為在該不斷電電源供應器以市電供應電源時，對該電池組充電。
5.如權利要求4所述的不斷電電源供應器，還包含控制器，其設定為將該直流-直流轉換器單元所輸出的該全波整流的直流電壓與參考電壓作比較，並根據比較結果來控制該直流-直流轉換器單元、該逆變器以及該能量回收轉換器的開關切換。
6.如權利要求2所述的不斷電電源供應器，還包含能量回收轉換器，耦接於該逆變器的輸入端，其設定為將該不斷電電源供應器的多餘能量回收至該電池組。
7.如權利要求6所述的不斷電電源供應器，其中該能量回收轉換器設定為在該不斷電電源供應器以市電供應電源時，對該電池組充電。
8.如權利要求7所述的不斷電電源供應器，還包含數字控制器，其設定為將該直流-直流轉換器單元所輸出的該全波整流的直流電壓與參考電壓作比較，並根據比較結果來控制該直流-直流轉換器單元、該逆變器以及該能量回收轉換器的開關切換。
9.如權利要求1所述的不斷電電源供應器，其中該直流-直流轉換器單元由第一直流-直流轉換器以及第二直流-直流轉換器組成，並且在該直流-直流轉換器單元的輸出電壓的整個周期內，該第一直流-直流轉換器以及該第二直流-直流轉換器的其中之一以可變的任務周期來進行開關切換，而另外一個直流-直流轉換器以固定的任務周期來進行開關切換。
10.如權利要求1所述的不斷電電源供應器，其中該直流-直流轉換器單元由第一直流-直流轉換器和第二直流-直流轉換器組成，並且在該直流-直流轉換器單元的輸出電壓的整個周期內，該第一直流-直流轉換器和該第二直流-直流轉換器都以可變的任務周期來進行開關切換。
11.一種使不斷電電源供應器提供正弦波輸出交流電壓的方法，該方法包含下列步驟提供電池組、直流-直流轉換器單元以及逆變器，其中該直流-直流轉換器單元由多個直流-直流轉換器組成；藉由該電池組提供電池電壓至該直流-直流轉換器單元；藉由所述多個直流-直流轉換器將該電池電壓轉換成多個直流電壓；將所述多個直流電壓相加成為全波整流的直流電壓；以及將該全波整流的直流電壓經由該逆變器轉換成正弦波輸出交流電壓。
12.如權利要求11所述的方法，其中該直流-直流轉換器單元由第一直流-直流轉換器和第二直流-直流轉換器組成，該第一直流-直流轉換器經由第一開關裝置調節作用將該電池電壓轉換成直流電壓，並且第二直流-直流轉換器經由第二開關裝置調節作用將該電池電壓轉換成直流電壓，其中該第一開關裝置調節作用藉由可變的任務周期來達到，而該第二開關裝置調節作用藉由固定的任務周期來達到。
13.如權利要求11所述的方法，其中該直流-直流轉換器單元由第一直流-直流轉換器和第二直流-直流轉換器組成，該第一直流-直流轉換器經由第一開關裝置調節作用將該電池電壓轉換成直流電壓，並且該第二直流-直流轉換器經由第二開關裝置調節作用將該電池電壓轉換成直流電壓，其中該第一開關裝置調節作用與該第二開關裝置調節作用都藉由可變的任務周期來達到。
14.如權利要求11項所述的方法，還包含以下步驟提供能量回收裝置；以及藉由該能量回收裝置將該不斷電電源供應器的多餘能量回收至該電池組。
全文摘要
本發明提出一種能夠提供正弦波輸出交流電壓的不斷電電源供應器，用以提供正弦波輸出交流電壓。其中直流－直流轉換器單元由多個直流－直流轉換器組成，所述多個直流－直流轉換器的多個輸入端互相併聯而所述多個直流－直流轉換器的多個輸出端互相串聯。將所述多個直流－直流轉換器的輸出直流電壓相加以形成全波整流的直流電壓，該全波整流的直流電壓經由逆變器轉換成正弦波輸出交流電壓。此外，本發明的不斷電電源供應器提供能量回收轉換器，將不斷電電源供應器的多餘能量回收來對電池組充電。本發明能夠在市電異常或中斷時，以簡化的線路設計以及較佳的電源效率來提供正弦波輸出交流電壓。
文檔編號H02M7/48GK101064438SQ20061007770
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月26日 優先權日2006年4月26日
發明者譚驚濤, 馬昌贊, 吳衛民, 姜志強, 應建平 申請人:臺達電子工業股份有限公司