专利名称：一种不间断电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种不间断电源。
背景技术：
如图1所示，现有的不间断电源(UPS) —般都包括交流电能输入、直流电源、可控开关、升压模块和逆变模块，可控开关被配置用于以有选 择地将交流电能输入或直流电源中连接到升压模块上，升压模块用于将输 入电压升压并输出至逆变模块，逆变模块用于将升压模块输出的电压变换成交流电压输出。现有的直流电源包括两组电池VI、 V2，这两组电池分 别负责电池模式下的正相和负相供电。而升压模块包括两组电感L1、 L2， 两个开关管Q1、 Q2，两个二极管D5、 D6，电容C1、 C2。现有的逆变模 块多采用半桥逆变拓扑，包括功率开关管Q3、 Q4、电感L3、电容C3。这种不间断电源的不足之处在于需要设置两组电池和两组电感，这 将导致UPS整机成本大幅提高。因为电感L1在正相时工作，在负相时不 工作；电感L2在负相时工作，在正相时不工作，电感利用率低。当UPS 的输出功率较大的时候，Ql、 Q2需要几个管子并联使用，因功率管的开 关时间及特性不可能完全一致，功率管不能做到很好的均流，这可能会降 低整个系统的可靠性。在220V交流输出系统中，母线电压需要提升到大 约士400K，采用半桥逆变拓扑的逆变模块，功率开关管Q3、 Q4需要采用 耐压1200V的管子，耐压1200V的管子成本高；采用1200V耐压的管子 后开关频率不能太高，滤波体积大，成本高；此外逆变模块采用半桥逆变 拓扑，逆变模块工作在两电平状态，电压纹波大，滤波体积大，成本高； 逆变模块在电感L3续流期间，会对母线电容充电，使母线电容上的电压 波动更大甚至失控，需要另外提供母线电压平衡措施。例如正相工作期 间Q3导通时，电容C1给电感L3充电；Q3关断时，电感L3经过C3、 C2、 D4放电，该放电电流会给C2充电，而正相工作期间，母线电容C2 是不受控制的，从而使C2上的电压波动更大。 发明内容本发明就是为了现有技术需要两组电池、两组电感带来的高成本的不 足，提出了一种成本较低的不间断电源。本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决 一种不间断电源， 包括交流电能输入、直流电源、可控开关、升压模块和逆变模块，所述可 控开关被配置用于有选择地将交流电能输入或直流电源中连接到升压模块 上，所述升压模块用于将输入电压升压并输出至逆变模块，所述逆变模块 用于将升压模块输出的电压变换成交流电压输出，所述直流电源由 一组电 池构成，所述升压模块包括一电感、第一开关管、第二开关管、第一电容、 第二电容、整流管、第三二极管、第四二极管和用于在交流电负相状态时 阻止电流流过第一开关管的第十二二极管；所述电感输入端与交流电能输 入的火线和直流电源正极耦合，其输出端与整流管第一端相连并与第一开 关管的第一端耦合；所述第三二极管第一端与第一开关管第一端相连，所 述第三二极管第二端经第一电容、第二电容、第四二极管与直流电源负极 相连；所述交流电能输入的零线与第一开关管的第二端、第二开关管的第 一端耦合并连接到第一电容和第二电容之间，所述第二开关管、和整流管 的第二端都与直流电源负极相连。优选地，所述第十二二极管阳极与所述整流管第一端相连，其阴极与 第一开关管第一端相连。所述第十二二极管阳极与第一开关管第二端相连，其阴极与第二开关 管第一端相连。所述整流管包括二极管或包括带体内二极管的功率场效应晶体管或包括带体内二极管的绝缘栅双极晶体管。所述升压模块有至少两个，每个升压模块之间交错并联。 所述逆变模块有至少两个，每个逆变模块之间交错并联。 所述逆变模块有三个，每个逆变模块之间并联，且各个逆变模块分别引出一输出端，用于实现不间断电源的三相输出。 所述逆变模块为三电平逆变拓扑。本发明与现有技术对比的有益效果是本发明只需要使用一组电池和 电感，即可实现不间断供电，本发明大大降低了不间断电源的成本。本发 明的逆变模块采用三电平逆变拓扑，可以降低器件应力，降低滤波体积， 提高整机效率，降低料本。另外，采用三电平逆变电路，通过控制，在电 感续流期间，续流电流不会对母线电容充电，与半桥逆变电路相比，不需要其他措施来防止母线电压不平衡。本发明通过交错并联升压模块和逆变模块，可以增大UPS的输出功率，减小母线电压纹波。
图l是现有技术的结构示意图； 图2是本发明具体实施方式
一的结构示意图； 图3是本发明具体实施方式
一在第一阶段的电流流向示意图； 图4是本发明具体实施方式
一在第二阶段的电流流向示意图； 图5是本发明具体实施方式
一在第三阶段的电流流向示意图； 图6是本发明具体实施方式
一在第四阶段的电流流向示意图； 图7是本发明具体实施方式
一在第五阶段的电流流向示意图； 图8是本发明具体实施方式
一在第六阶段的电流流向示意图； 图9是本发明具体实施方式
一在第七阶段的电流流向示意图； 图IO是本发明具体实施方式
一在第八阶段的电流流向示意图； ,图11是本发明具体实施方式
二的结构示意图； 图12是本发明具体实施方式
三的结构示意图； 图13是本发明具体实施方式
四的结构示意图； ,图14是本发明具体实施方式
五的结构示意图； 图15是本发明具体实施方式
六的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式
一如图2所示， 一种不间断电源(UPS)，包括交流电能输入、直流电源、 可控开关、升压模块和逆变模块，所述可控开关被配置用于以有选择地将 交流电能输入或直流电源中连接到升压模块上，所述升压模块用于将交流 电能输入或直流电源提供的输入电压进行升压并输出至逆变模块，所述逆 变模块用于将升压模块输出的电压变换成交流电压输出。所述直流电源由 一组电池BAT构成，所述升压模块包括一电感L1、第一开关管Q1、第二 开关管Q2、第一电容C1、第二电容C2、整流管Dll、第十二二极管D12、 第三二极管D3和第四二极管D4。所述整流管为二极管。所述第十二二极 管D12用于在交流电负相状态时阻止电流流过第一开关管Ql。所述整流 管D11为二极管。所述开关管可以是功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)或其他可控器件。所述可控开关包括第一开关S1、第二开关S2。所述第一开关S1、第 二开关S2可以是继电器，也可以是可控半导体器件，通过控制第一开关 Sl、第二开关S2的开通、闭合可以有选择地将交流电能输入或直流电源 中连接到升压模块上，即进行市电工作模式和电池工作模式的切换。所述逆变模块可为三电平逆变拓扑、半桥逆变拓扑或其他，优选三电 平逆变拓扑。本具体实施方式
中逆变模块为三电平逆变拓扑，这个逆变模 块与正直流母线、负直流母线和中线连接。逆变模块包括第五开关管Q5、 第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九二极管D9、第十 二极管DIO、第三电感L3、第三电容C3。所述第五开关管Q5和第七开关 管Q7互补工作，第六开关管Q6和第八开关管Q8互补工作。采用三电平 逆变拓扑的逆变模块与现有的半桥拓扑相比，对220VAC输出系统可以使 用600V耐压的功率管(MOSFET或IGBT)，这样可以提高开关频率，从 而减小输出LC滤波器的体积，同时降低滤波器的成本。如图2所示，在 正相工作期间第六开关管Q6恒通，第五开关管Q5导通时，电容C1给 电感L3充电；第五开关管Q5关断时，电感L3上的电流通过第三电容C3、 第九二极管D9、第六开关管Q6续流，该续流电流不会对母线电容充电， 因此采用三电平逆变电路时，母线电容电压波动较小。所述电感Ll输入端A与交流电能输入的火线I/P_L和直流电源BAT 正极耦合，电感L1输出端B与整流管D11阴极、第十二二极管D12阳极 相连。所述整流管D11阳极与直流电源负极相连。所述第十二二极管D12 阴极与第一开关管Ql漏极、第三二极管D3阳极相连。所述第一开关管 Q1源极与交流电能输入的零线N、第二开关管Q2漏极相连。第三二极管 D3阳极依次与第一电容C1和第二电容C2、第四二极管D4阳极相连。第 四二极管D4阴极与直流电源负极相连。所述第二开关管Q2与第一开关管 Ql源极的漏极相连，第二开关管Q2源极与直流电源负极相连。所述交流 电能输入的零线N连接到第一开关管Ql的源极、第二开关管Q2漏极之 间，交流电能输入的零线N还连接到第一开关管Q1的源极、第二开关管 Q2漏极之间第一端耦合并连接到第一电容Cl和第二电容C2之间。所述 第一开关管Ql和第二开关管Q2的栅极(控制端)外接脉宽调制(Pulse Width Modulation,简称PWM)控制信号。上述不间断电源的工作原理如下当UPS处于市电模式下时，即交流 电能输入正常时(此时第一开关Sl闭合，第二开关S2断开)，直流电源不工作，交流电能输入被连接到升压模块上。当UPS处于电池模式下时， 即交流电能输入异常(此时第一开关S1断开，第二开关S2闭合)时，交 流电能输入不工作，直流电源工作，直流电源被连接到升压模块上。下面 将做详细分析。在交流市电正相工作状态第一阶段:如图3所示，第一开关管Ql和第二开关管Q2工作在PWM 状态。在一个开关周期内，第一开关管Q1闭合，第二开关管Q2断开，电 流路径为由交流电能输入的火线I/P一L流经第一开关S1、电感L1、第十 二二极管D12、第一开关管Q1，再回到交流电能输入的零线N。在此过程 电感L1被充电。第二阶段如图4所示，第一开关管Q1和第二开关管Q2都断开，电 流路径为由交流电能输入的火线I/PJ^流经第一开关S1、电感L1、第十二 二极管D12、第三二极管D3、第一电容C1，再回到交流电能输入的零线 N。在此过程中交流电能叠加电感L1上存储的电能对第一电容C1充电， 使第一电容C1的电压达到正直流母线电压。在交流市电负相工作状态第三阶段如图5所示，第一开关管Q1断开、第二开关管Q2闭合， 电流路径为由交流电能输入的零线N流经第二开关管Q2、整流管Dll、 电感L1，再回到交流电能输入的火线I/PJ^ 。在此过程电感L1被充电。第四阶段如图6所示，第二开关管Q2断开，电流路径为由交流电 能输入的零线N流经第二电容C2、第四二极管D4、第一二极管Dll、电 感L1，再回到交流电能输入的火线I/P_L 。在此过程中第二开关管Q2工 作在PWM状态，交流电能通过电感L1对第二电容C2充电。在电池正相工作状态第五阶段:如图7所示，第一开关管Ql和第二开关管Q2工作在PWM 状态。在一个开关周期内，第一开关管Q1、第二开关管Q2都闭合，电流 路径为由直流电源的电池正极流经第二开关、电感Ll、第十二二极管 D12、第一开关管Ql、第二开关管Q2，再回到电池负极。在此过程电感 Ll被充电。第六阶段如图8所示，第一开关管Q1断开、第二开关管Q2闭合， 电流路径为由直流电源的电池正极流经第一开关Sl、电感Ll、第十二 二极管D12、第三二极管D3、第一电容C1、第二开关管Q2，再回到电池负极。在此过程中直流电源叠加电感L1上存储的电能对第一电容C1充电， 使第一电容C1的电压维持正直流母线电压。 在电池负相工作状态第七阶段如图9所示，第一开关管Q1、第二开关管Q2都闭合，电流路径为由直流电源的电池正极流经第二开关、电感L1、第十二二极管D12、第一开关管Ql、第二开关管Q2，再回到电池负极。在此过程电感 Ll被充电。第八阶段如图IO所示，第一开关管Q1闭合、第二开关管Q2断开，电流路径为由直流电源的电池正极流经第一开关Sl、电感L1、第十二二极管D12、第一开关管Q1、第二电容C2、第四二极管D3，再回到电池 负极。在此过程中直流电源叠加电感L1上存储的电能对第二电容C2充电， 使第一电容C2的电压维持负直流母线电压。逆变模块的工作是通过锁相实现的，所述逆变模块将第一、二电容上 的正、负母线直流电压转换成交流电压输出，其动作原理此处不再赘述。 本具体实施方式
采用三电平逆变拓扑，可以减小母线电容上的电压纹波。
具体实施方式
二如图11所示，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同之处在于改 变了第十二二极管D12的位置，在本具体实施方式
中第十二二极管D12 被挪到了第一开关管Q1源极与第二开关管Q2漏极之间。g卩第十二二极 管D12的阳极与第一开关管Ql源极相连，第十二二极管D12阴极与第二 开关管Q2漏极和交流电能输入的零线N相连。这样，当第一开关管Ql 关断、第三二极管D3导通时，可以节省一个二极管损耗。
具体实施方式
三如图12所示，本具体实施方式
与具体实施方式
二的不同之处在于整 流管用带体二极管的功率场效应管(MOS)或带体二极管的绝缘栅双极型 晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)来代替。在市电模 式下，所述晶体管Qll的体内二极管Dll作为整流二极管使用；在电池模 式下，通过控制Qll的开通、关闭实现对电感L1进行充放电，与图11中 通过控制第一开关管Ql和第二开关管Q2的通断对电感Ll充放电相比， 可以再节省一个MOS管的损耗。
具体实施方式
四如图13所示，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同之处在于本具体实施方式
中升压模块有两个，每个升压模块之间交错并联。每一升压 模块的工作原理均与具体实施方式
一中的升压模块的工作原理相同，但本具体实施方式
中的各个升压模块之间以一定的相位错开工作。若两个升压 模块进行交错并联，则每一升压模块之间错开180度相位运行；若三个升 压模块进行交错并联，则每一升压模块之间错开120度运行，依此类推。 本具体实施方式
可以增大输出功率，这样每一个升压模块内的开关管都可 以只采用单管，减小了功率管并联使用的可靠性问题。显然，这种交错并 联可以扩展到3个、4个......n个升压模块交错并联。采用交错并联技术后，在电感纹波电流相等的条件下，与不交错方案相比，可以降低输入电流总 的纹波电流，从而减小了输入EMI滤波器的体积，不间断电源的成本也得 到进一步降低。
具体实施方式
五如图14所示，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同之处在于本具体实施方式
中逆变模块有两个，每个逆变模块之间交错并联。显然，也 可将3个、4个......n个逆变模块进行交错并联。本具体实施方式
可以增大输出功率的容量。
具体实施方式
六如图15所示，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同之处在于本具体实施方式
中逆变模块有三个，每个逆变模块之间并联，且各个逆变模 块分别引出一输出端，用于实现不间断电源的三相输出。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种不间断电源，包括交流电能输入、直流电源、可控开关、升压模块和逆变模块，所述可控开关被配置用于有选择地将交流电能输入或直流电源中连接到升压模块上，所述升压模块用于将输入电压升压并输出至逆变模块，所述逆变模块用于将升压模块输出的电压变换成交流电压输出，其特征在于所述直流电源由一组电池(BAT)构成，所述升压模块包括一电感(L1)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、整流管(D11)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)和用于在交流电负相状态时阻止电流流过第一开关管(Q1)的第十二二极管(D12)；所述电感(L1)输入端与交流电能输入的火线和直流电源正极耦合，其输出端与整流管(D11)第一端相连并与第一开关管(Q1)的第一端耦合；所述第三二极管(D3)第一端与第一开关管(Q1)第一端相连，所述第三二极管(D3)第二端经第一电容(C1)、第二电容(C2)、第四二极管(D4)与直流电源负极相连；所述交流电能输入的零线与第一开关管(Q1)的第二端、第二开关管(Q2)的第一端耦合并连接到第一电容(C1)和第二电容(C2)之间，所述第二开关管(Q2)的第二端和整流管(D11)的第二端都与直流电源负极相连。
2. 根据权利要求1所述的不间断电源，其特征在于所述第十二二极管 (D12)阳极与所述整流管(D11)第一端相连，其阴极与第一开关管(Ql)第一端相连。
3. 根据权利要求1所述的不间断电源，其特征在于所述第十二二极管 (D12)阳极与第一开关管(Ql)第二端相连，其阴极与第二开关管(Q2)第一端相连。
4. 根据权利要求2所述的不间断电源，其特征在于所述整流管(D11) 包括二极管或包括带体内二极管的功率场效应晶体管或包括带体内二极 管的绝缘栅双极晶体管。
5. 根据权利要求3所述的不间断电源，其特征在于所述整流管(D11) 包括二极管或包括带体内二极管的功率场效应晶体管或包括带体内二极 管的绝缘栅双极晶体管。
6. 根据权利要求l-5任一所述的不间断电源，其特征在于所述升压模块 有至少两个，每个升压模块之间交错并联。
7. 根据权利要求l-5任一所述的不间断电源，其特征在于所述逆变模块 有至少两个，每个逆变模块之间交错并联。
8. 根据权利要求l-5任一所述的不间断电源，其特征在于所述逆变模块 有三个，每个逆变模块之间并联，且各个逆变模块分别引出一输出端，用 于实现不间断电源的三相输出。
9. 根据权利要求l-5任一所述的不间断电源，其特征在于所述逆变模块 为三电平逆变拓扑。
全文摘要
本发明公开一种不间断电源，包括交流电能输入、直流电源、可控开关、升压模块和逆变模块，直流电源由一组电池构成，升压模块包括一电感、第一、二开关管、第一、二电容、整流管、第三、四二极管和用于在交流电负相状态时阻止电流流过第一开关管的第十二二极管；电感输入端与火线和直流电源正极耦合，其输出端与整流管第一端相连并与第一开关管的第一端耦合；第三二极管第一端与第一开关管第一端相连，其第二端经第一电容、第二电容、第四二极管与直流电源负极相连；零线与第一开关管的第二端、第二开关管的第一端耦合并连接到第一电容和第二电容之间，第二开关管、和整流管的第二端与直流电源负极相连。本发明只需要使用一组电池和电感，成本低。
文档编号H02J7/00GK101232191SQ200710125028
公开日2008年7月30日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者恒 余, 罗永昌 申请人:艾默生网络能源有限公司