专利名称：一种ups模块及ups系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子技术，尤其涉及一种UPS模块及UPS系统。
背景技术：
UPS (Uninterruptible Power Supply,不间断电源)广泛应用于电力、电信、金融、政府、制造等多个行业，它可以保障在停电之后继续工作一段时间，使用户不致因停电而影响工作或丢失数据，还可以消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”。
目前，在中小功率的UPS系统设计中，如图1所示，该UPS系统包括电池组(其两个端口为BAT+、BAT-)及UPS模块，UPS模块包括PFC整流单元100、逆变单元200、充电单元(未示出)和DC/DC变换单元300，其中，PFC整流单元100、逆变单元200、充电单元依次连接，DC/DC变换单元300分别连接充电单元和逆变单元200，电池组分别连接DC/DC变换单元300和充电单元。应当说明的是，该UPS系统仅示出了一个UPS模块，当然，UPS系统中的UPS模块的数量还可为多个，在UPS模块的数量为多个时，该多个UPS模块的输出端并联在一起为负载供电，且共用该电池组，即，每个UPS模块中的DC/DC变换单元的两个输入端分别连接电池组的两个端口。在该UPS系统中，当交流市电正常时，交流市电通过PFC整流单元100整流后为正、负直流母线充电，然后再通过逆变单元200逆变后为负载供电，同时，逆变后的电压通过充电单元为该电池组充电；当交流市电异常时，该电池组的输出电压经过DC/DC变换单元300升压后为正、负直流母线充电，然后再通过逆变单元200逆变后为负载供电。在该UPS系统中，DC/DC变换单元300被设计为隔离升压电路，即采用图1中的隔离变压器Tl对电池组的输出电压进行升压，并直接输出至正、负直流母线。这种方案的好处是DC/DC变换单元300与PFC整流单元100完全隔离开来而没有耦合，可提高系统的可靠性。但实际上，这种完全隔离方案从成本、空间和效率角度来讲都不是最优的选择，其主要缺点在于: UDC/DC变换单元300采用传统的推挽电路，工作频率低，且变压器Tl的损耗增大、效率低； 2、DC/DC变换单元300与PFC整流单元100完全隔离，没有耦合回路，在交流市电异常时，DC/DC变换单元300对电池组的输出电压进行升压后，直接输出至正、负直流母线，完全没有利用到PFC整流单元100电路元件，成本无法做到最优； 3、由于DC/DC变换单元300中的变压器Tl的体积较大，从而导致UPS模块的占用空间较大、成本较高，对于包含多个UPS模块的UPS系统，其占用空间更加大、成本更加高，这也与开关电源的小型化趋势相违背。发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述UPS模块成本高、空间大，且工作效率低的缺陷，提供一种成本低、空间小且工作效率高的UPS模块。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种UPS模块，用于对电池组进行充放电，所述UPS模块包括依次连接的PFC整流单元、逆变单元和充电单元，且在交流市电正常时，所述PFC整流单元将交流市电转换成直流电压，并为正负直流母线充电，所述逆变单元将所述正负直流母线间的电压逆变成交流电，并为负载供电，同时，所述充电单元对电池组进行充电，所述UPS模块还包括DC/DC变换单元，在交流市电异常时，所述DC/DC变换单元将所述电池组的输出电压通过所述PFC整流单元分时为正负直流母线充电。
在本发明所述的UPS模块中，所述PFC整流单元包括第一储能电感、第一二极管、第二二极管、第四二极管、第五二极管、第一开关管、第二开关管、第一滤波电容、第二滤波电容，其中，所述第一储能电感的第一端连接交流市电的一端，所述第一储能电感的第二端分别连接所述第一二极管的正极和所述第二二极管的负极，所述第一二极管的负极分别连接所述第四二极管的正极及所述第一开关管的第二端，所述第二二极管的正极分别连接所述第五二极管的负极及所述第二开关管的第三端，所述第一开关管的第三端和所述第二开关管的第二端分别连接中线，所述第一滤波电容的正极连接所述第四二极管的负极，所述第二滤波电容的负极连接所述第五二极管的正极，所述第一滤波电容的负极和所述第二滤波电容的正极分别连接中线。
在本发明所述的UPS模块中，所述PFC整流单元包括第一储能电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管、第一滤波电容、第二滤波电容，且第一开关管自身具有或外接与之反向并联的第一续流二极管，第二开关管自身具有或外接与之反向并联的第二续流二极管；其中，所述第一储能电感的第一端连接交流市电的一端，所述第一储能电感的第二端分别连接所述第一二极管的正极和所述第二二极管的负极，所述第一二极管的负极连接所述第一滤波电容的正极，所述第二二极管的正极连接所述第二滤波电容的负极，所述第一滤波电容的负极和所述第二滤波电容的正极分别接中线，所述第一开关管的第二端连接所述第一二极管的正极，所述第二开关管的第二端连接中线，所述第一开关管的第三端与所述第二开关管的第三端连接。
在本发明所述的UPS模块中，所述DC/DC变换单元包括第五开关管、第三二极管，其中，所述第五开关管的第二端连接所述电池组的正极，所述第五开关管的第三端连接所述第一储能电感的第一端，所述电池组的负极接中线，所述第三二极管的正极连接所述第二二极管的正极，所述第三二极管的负极连接所述第五开关管的第三端。
在本发明所述的UPS模块中，所述UPS模块还包括第一开关和第二开关，其中，所述第一开关连接在交流市电和所述第一储能电感的第一端之间，所述第二开关连接在所述第五开关管的第三端和所述第一储能电感的第一端之间。
在本发明所述的UPS模块中，所述第一开关和第二开关分别为继电器开关。
在本发明所述的UPS模块中，所述逆变单元为两电平逆变电路、I型三电平逆变电路或T型三电平逆变电路。
在本发明所述的UPS模块中，所述两电平逆变电路包括第三开关管、第四开关管、第二储能电感、第三滤波电容；其中，第三开关管自身具有或外接与之反向并联的第三续流二极管，第四开关管自身具有或外接与之反向并联的第四续流二极管；所述第三开关管的第二端连接所述第一滤波电容的正极，所述第四开关管的第三端连接所述第二滤波电容的负极，所述第三开关管的第三端和所述第四开关管的第二端分别连接所述第二储能电感的第一端，所述第二储能电感的第二端为所述UPS模块的输出端，所述第三滤波电容的正极连接所述第二储能电感的第二端，所述第三滤波电容的负极连接中线。
在本发明所述的UPS模块中，所述I型三电平逆变电路包括第三开关管、第四开关管、第六开关管、第七开关管、第二储能电感、第三滤波电容、第六二极管和第七二极管，其中，所述第三开关管的第二端连接所述第一滤波电容的正极，所述第三开关管的第三端连接所述第六开关管的第二端，所述第六开关管的第三端连接所述第七开关管的第二端，所述第七开关管的第三端连接所述第四开关管的第二端，所述第四开关管的第三端连接所述第二滤波电容的负极，所述第六二极管的负极连接所述第三开关管的第三端，所述第七二极管的正极连接所述第七开关管的第三端，所述第六二极管的正极和所述第七二极管的负极一并接中线，所述第二储能电感的第一端连接所述第六开关管的第三端，所述第二储能电感的第二端为所述UPS模块的输出端，所述第三滤波电容的正极连接所述第二储能电感的第二端，所述第三滤波电容的负极连接中线。
在本发明所述的UPS模块中，所述T型三电平逆变电路包括第三开关管、第四开关管、第六开关管、第七开关管、第二储能电感、第三滤波电容，且第六开关管自身具有或外接与之反向并联的第六续流二极管，第七开关管自身具有或外接与之反向并联的第七续流二极管；其中，所述第六开关管的第二端连接中线，所述第六开关管的第三端连接所述第七开关管的第三端，所述第七开关管的第二端分别连接所述第三开关管的第三端、所述第四开关管的第二端及所述第二储能电感的第一端，所述第三开关管的第二端连接所述第一滤波电容的正极，所述第四开关管的第三端连接所述第二滤波电容的负极，所述第二储能电感的第二端为所述UPS模块的输出端，所述第三滤波电容的正极连接所述第二储能电感的第二端，所述第三滤波电容的负极连接中线。
本发明还构造一种UPS系统，包括电池组及一个UPS模块或输出端相并联的至少两个UPS模块，所述UPS模块为以上所述的UPS模块。
实施本发明的技术方案，在交流市电正常或异常时，PFC整流单元是共用的，因此PFC整流单元与DC/DC变换单元有耦合回路，也即为非隔离的，这就使得电池组供电电路DC/DC变换单元在设计时无需采用隔离升压变压器，节省了空间和成本，顺应了开关电源小型化的趋势，且减小了损耗，提高了效率。另外，DC/DC变换单元与PFC整流单元因为有耦合回路，利用部分PFC整流单元器件，节省了成本，提高了效率。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中: 图1是现有技术的一种UPS系统的电路图； 图2是本发明UPS系统实施例一的逻辑结构图； 图3是本发明UPS系统实施例二的电路图； 图4是本发明UPS系统实施例三的电路图； 图5是本发明UPS系统实施例四的电路图； 图6是本发明UPS系统实施例五的电路图。
具体实施方式
如图2所示，本发明UPS系统实施例一的逻辑结构图，该UPS系统包括UPS模块和电池组BAT，其中，UPS模块包括PFC整流单元100、逆变单元200、DC/DC变换单元300和充电单元400，其中，PFC整流单元100、逆变单元200、充电单元400和电池组BAT依次连接，且DC/DC变换单元300分别连接电池组BAT和PFC整流单元100。
当交流市电正常时，交流市电通过PFC整流单元100整流得到直流电压，且为正、负直流母线充电，然后逆变单元200将该直流电压逆变为交流电压，以向负载供电，同时，充电单元400对电池组BAT进行充电。当交流市电异常时，DC/DC变换单元300将电池组BAT的输出电压通过PFC整流单元100分时为正负直流母线充电，例如，若该UPS模块输出的是50Hz的正弦交流电，也即，其周期是20ms，则此时，在一个周期内，为正直流母线充电的时间应为10ms，为负直流母线充电的时间应为10ms。实施该技术方案，PFC整流单元100在交流市电正常和异常时均处于工作状态，也即，PFC整流单元100与DC/DC变换单元300有耦合回路，因此PFC整流单元100与DC/DC变换单元300为非隔离的，这就使得该UPS模块在对该电池组进行充电和放电时，无需采用隔离升压变压器，节省了空间和成本，顺应了开关电源小型化的趋势，且减小了损耗，提高了效率。
图3是本发明UPS系统实施例二的电路图，该UPS系统包括UPS模块和电池组(其两个端口为BAT+、BAT-)。在该实施例中，UPS模块包括第一开关S1、第二开关S2、PFC整流单元100、逆变单元200、DC/DC变换单元300和充电单元(未示出，其连接在连接电池组和逆变单元之间)，下面分别说明每个部分: 1、PFC整流单元100 该PFC整流单元100包括第一储能电感L1、第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4、第五二极管D5、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一滤波电容Cl、第二滤波电容C2。在此说明的是，本发明所提及的所有开关管均可选用IGBT管，例如，本实施例中的第一开关管Q1、第二开关管Q2均选用IGBT管。当然，在其它实施例中，也可能选用MOS管或其它类型的开关器件。当开关管选用IGBT管时，开关管的第二端为其集电极，开关管的第三端为其发射极，开关管的第一端为其门极驱动极，且门极驱动极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。当开关管选用MOS管时，开关管的第二端为其漏极，开关管的第三端为其源极，开关管的第一端为其栅极，且栅极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。第一开关管Ql可选用自带第一续流二极管的开关管，且该第一续流二极管与第一开关管Ql反向并联，同样地，第二开关管Q2可选用自带第二续流二极管的开关管，且该第二续流二极管与第二开关管Q2反向并联。当然，第一开关管Q1、第二开关管Q2也可选用不自带续流二极管的开关管。在该PFC整流单元100中，第一储能电感LI的第一端通过第一开关SI连接交流市电的一端(LINE)，第一储能电感LI的第二端分别连接第一二极管Dl的正极和第二二极管D2的负极，第一二极管Dl的负极分别连接第四二极管D4的正极及第一开关管Ql的第二端，第二二极管D2的正极分别连接第五二极管D5的负极及第二开关管Q2的第三端，第一开关管Ql的第三端和第二开关管Q2的第二端分别连接中线(NEUTUAL)，第一滤波电容Cl的正极连接第四二极管D4的负极，第二滤波电容C2的负极连接第五二极管D5的正极，第一滤波电容Cl的负极和第二滤波电容C2的正极分别连接中线(NEUTUAL)； 2、逆变单元200 该逆变单元200可选用两电平逆变电路，此时，该逆变单元200包括第三开关管Q3、第四开关管Q4、第二储能电感L2、第三滤波电容C3。其中，第三开关管Q3自身具有或外接与之反向并联的第三续流二极管，第四开关管Q4自身具有或外接与之反向并联的第四续流二极管。也就是说，第三开关管Q3可选用自带第三续流二极管的开关管，且该第三续流二极管与第三开关管Q3反向并联；同样地，第四开关管Q4可选用自带第四续流二极管的开关管，且该第四续流二极管与第四开关管Q4反向并联。然而，当第三开关管Q3、第四开关管Q4选用不带续流二极管的开关管时，需将第三开关管Q3反向并联一个第三续流二极管，将第四开关管Q4反向并联一个第四续流二极管。在该实施例中，第三开关管Q3、第四开关管Q4均选用IGBT管。当然，在其它实施例中，也可能选用MOS管或其它类型的开关器件。当开关管选用IGBT管时，开关管的第二端为其集电极，开关管的第三端为其发射极，开关管的第一端为其门极驱动极，且门极驱动极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。当开关管选用MOS管时，开关管的第二端为其漏极，开关管的第三端为其源极，开关管的第一端为其栅极，且栅极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。在该逆变单元200中，第三开关管Q3的第二端连接第一滤波电容Cl的正极，第四开关管Q4的第三端连接第二滤波电容C2的负极，第三开关管Q3的第三端和第四开关管Q4的第二端分别连接第二储能电感L2的第一端，第二储能电感L2的第二端为所述UPS模块的输出端(0UT_LINE)，第三滤波电容C3的正极连接第二储能电感L2的第二端，第三滤波电容C3的负极连接中线(NEUTUAL)； 3、DC/DC变换单元300 该DC/DC变换单元300包括第五开关管Q5和第三二极管D3。在该实施例中，第五开关管Q5选用IGBT管。当然，在其它实施例中，也可能选用MOS管或其它类型的开关器件。当开关管选用IGBT管时，开关管的第二端为其集电极，开关管的第三端为其发射极，开关管的第一端为其门极驱动极，且门极驱动极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。当开关管选用MOS管时，开关管的第二端为其漏极，开关管的第三端为其源极，开关管的第一端为其栅极，且栅极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。在此还应当说明的是，第五开关管Q5可选用自带第五续流二极管的开关管，且第五续流二极管与第五开关管Q5反向并联，第五开关管Q5还可选用不自带续流二极管的开关管。在该DC/DC变换单元300中，第五开关管Q5的第二端连接电池组的正极，第五开关管Q5的第三端通过第二开关S2连接第一储能电感LI的第一端，电池组的负极连接中线(NEUTUAL)，第三二极管D3的正极连接第二二极管D2的正极，第三二极管D3的负极连接第五开关管Q5的第三端。
下面说明该UPS模块的工作原理:当交流市电正常时，此时闭合第一开关SI，断开第二开关S2，交流市电通过整流、逆变后为负载供电，具体为:在整流阶段，(I)交流市电的正半周时，第一开关管Ql开通时，交流市电通过第一开关S1、第一二极管D1、第一开关管Ql为第一储能电感LI储能；(2)交流市电的正半周，第一开关管Ql关断时，交流市电通过第一开关S1、第一储能电感L1、第一二极管Dl、第四二极管D4为第一滤波电容Cl充电；(3)交流市电的负半周，第二开关管Q2开通时，交流市电通过第二开关管Q2、第二二极管D2、第一开关SI为第一储能电感LI储能；(4)交流市电的负半周，第二开关管Q2关断时，交流市电通过第五二极管D5、第二二极管D2、第一储能电感L1、第一开关SI为第二滤波电容C2充电。在逆变阶段，(I)输出交流电的正半周，第三开关管Q3开通时，第一滤波电容Cl通过第三开关管Q3、第三滤波电容C3为第二储能电感L2储能；(2)输出交流电的正半周，第三开关管Q3关断时，第二储能电感L2通过、第三滤波电容C3、第二滤波电容C2及与第四开关管Q4反向并联的第四续流二极管续流；(3)输出交流电的负半周，第四开关管Q4开通时，第二滤波电容C2通过第四开关管Q4、第三滤波电容C3为第二储能电感L2储能；(4)输出交流电的负半周，第四开关管Q4关断时，第二储能电感L2通过与第三开关管Q3反向并联的第三续流二极管、第一滤波电容Cl、第三滤波电容C3续流。当交流市电异常时，此时断开第一开关SI，闭合第二开关S2，由电池组经升压、逆变后为负载供电，应当说明的是，电池组供电时(交流市电异常时)与交流市电供电时(交流市电正常时)在逆变阶段的工作过程一样，在此不做赘述，以下仅说明电池组供电时在整流阶段的工作过程:(I)第五开关管Q5保持长通，第一开关管Ql开通时，电池组输出的直流电通过第五开关管Q5、第二开关S2、第一二极管D1、第一开关管Ql为第一储能电感LI储能；(2)第五开关管Q5保持长通，第一开关管Ql关断时，电池组输出的直流电通过第五开关管Q5、第二开关S2、第一储能电感L1、第一二极管D1、第四二极管D4给第一滤波电容Cl充电；(3)第一开关管Ql保持长通，第五开关管Q5开通时，电池组输出的直流电通过第五开关管Q5、第二开关S2、第一二极管D1、第一开关管Ql为第一储能电感LI储能；(4)第一开关管Ql保持长通，第五开关管Q5关断时，第一储能电感LI通过第一二极管D1、第一开关管Q1、第五二极管D5、第三二极管D3、第二开关S2为第二滤波电容C2充电。
图4是本发明UPS系统实施例三的电路图，该UPS系统包括UPS模块和电池组(其两个端口为BAT+、BAT-)。在该实施例中，UPS模块包括第一开关S1、第二开关S2、PFC整流单元100、逆变单元200、DC/DC变换单元300和充电单元(未示出，其连接在连接电池组和逆变单元之间)。实施例三与实施例二的区别在于所采用的PFC整流单元100的电路结构不同。下面说明实施例三中PFC整流单元100的电路结构。
在实施例三中，该PFC整流单元100采用无桥PFC整流单元，具体电路如下:该PFC整流单元100包括第一储能电感L1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一滤波电容Cl、第二滤波电容C2。其中，第一开关管Ql自身具有或外接与之反向并联的第一续流二极管，第二开关管Q2自身具有或外接与之反向并联的第二续流二极管。也就是说，第一开关管Ql可选用自带第一续流二极管的开关管，且该第一续流二极管与第一开关管Ql反向并联；同样地，第二开关管Q2可选用自带第二续流二极管的开关管，且该第二续流二极管与第二开关管Q2反向并联。然而，当第一开关管Q1、第二开关管Q2选用不带续流二极管的开关管时，需将第一开关管Ql反向并联一个第一续流二极管，将第二开关管Q2反向并联一个第二续流二极管。第一开关管Q1、第二开关管Q2可分别选用IGBT管。当然，在其它实施例中，也可能选用MOS管或其它类型的开关器件。当开关管选用IGBT管时，开关管的第二端为其集电极，开关管的第三端为其发射极，开关管的第一端为其门极驱动极，且门极驱动极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。当开关管选用MOS管时，开关管的第二端为其漏极，开关管的第三端为其源极，开关管的第一端为其栅极，且栅极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。第一储能电感LI的第一端通过第一开关SI连接交流市电的一端(LINE)，第一储能电感LI的第二端分别连接第一二极管Dl的正极和第二二极管D2的负极，第一二极管Dl的负极连接第一滤波电容Cl的正极，第二二极管D2的正极连接第二滤波电容C2的负极，第一滤波电容Cl的负极和第二滤波电容C2的正极分别接中线(NEUTUAL)，第一开关管Ql的第二端连接第一二极管Dl的正极，第二开关管Q2的第二端连接中线(NEUTUAL)，第一开关管Ql的第三端与第二开关管Q2的第三端连接。
下面说明该实施例的UPS模块的工作原理:首先说明的是，由于逆变单元200与图3所示的实施例的逆变单元的电路结构相同，其工作原理也是相同的，在此不做赘述，以下仅说明在交流市电供电在整流阶段和电池组供电在升压阶段的工作原理。
在交流市电正常时，闭合第一开关SI，断开第二开关S2，在整流阶段，(I)交流市电的正半周，第一开关管Ql开通时，交流市电通过第一开关S1、第一开关管Q1、与第二开关管Q2反向并联的第二续流二极管为第一储能电感LI储能；(2)交流市电的正半周，第一开关管Ql关断时，交流市电通过第一开关S1、第一储能电感L1、第一二极管Dl为第一滤波电容Cl充电；(3)交流市电的负半周，第二开关管Q2开通时，交流市电通过第二开关管Q2、与第一开关管Ql反向并联的第一续流二极管、第一开关SI为第一储能电感LI储能；(4)交流市电的负半周，第二开关管Q2关断时，交流市电通过第二二极管D2、第一储能电感L1、第一开关SI为第二滤波电容C2充电。
在电池组升压供电时，断开第一开关SI，闭合第二开关S2，(I)第五开关管Q5保持长通，第一开关管Ql开通时，电池组输出的直流电通过第五开关管Q5、第二开关S2、第一开关管Q1、与第二开关管Q2反向并联的第二续流二极管为第一储能电感LI储能；(2)第五开关管Q5保持长通，第一开关管Ql关断时，电池组输出的直流电通过第五开关管Q5、第二开关S2、第一储能电感L1、第一二极管Dl给第一滤波电容Cl充电；(3)第一开关管Ql保持长通，第五开关管Q5开通时，电池组输出的直流电通过第五开关管Q5、第二开关S2、第一开关管Q1、与第二开关管Q2反向并联的第二续流二极管为第一储能电感LI储能；(4)第一开关管Ql保持长通，第五开关管Q5关断时，第一储能电感LI通过第一开关管Q1、与第二开关管Q2反向并联的第二续流二极管、第三二极管D3、第二开关S2为第二滤波电容C2充电。
图5是本发明UPS系统实施例四的电路图，该UPS系统包括UPS模块和电池组(其两个端口为BAT+、BAT-)。在该实施例中，UPS模块包括第一开关S1、第二开关S2、PFC整流单元100、逆变单元200、DC/DC变换单元300和充电单元(未示出，其连接在连接电池组和逆变单元之间)。实施例四与实施例二的区别在于所采用的逆变单元200的电路结构不同。下面说明实施例四中逆变单元200的电路结构。
在实施例四中，该逆变单元200选用I型三电平逆变电路，此时，该逆变单元200包括第三开关管Q3、第四开关管Q4、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第二储能电感L2、第三滤波电容C3、第六二极管D6和第七二极管D7。在该实施例中，第三开关管Q3、第四开关管Q4、第六开关管Q6、第七开关管Q7均选用IGBT管。当然，在其它实施例中，也可能选用MOS管或其它类型的开关器件。当开关管选用IGBT管时，开关管的第二端为其集电极，开关管的第三端为其发射极，开关管的第一端为其门极驱动极，且门极驱动极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。当开关管选用MOS管时，开关管的第二端为其漏极，开关管的第三端为其源极，开关管的第一端为其栅极，且栅极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。在此还应当说明的是，第三开关管Q3可选用自带第三续流二极管的开关管，且第三续流二极管与第三开关管Q3反向并联，第三开关管Q3还可选用不自带续流二极管的开关管。第四开关管Q4可选用自带第四续流二极管的开关管，且第四续流二极管与第四开关管Q4反向并联，第四开关管Q4还可选用不自带续流二极管的开关管。第六开关管Q6可选用自带第六续流二极管的开关管，且第六续流二极管与第六开关管Q6反向并联，第六开关管Q6还可选用不自带续流二极管的开关管。第七开关管Q7可选用自带第七续流二极管的开关管，且第七续流二极管与第七开关管Q7反向并联，第七开关管Q7还可选用不自带续流二极管的开关管。在该逆变单元200中，第三开关管Q3的第二端连接第一滤波电容Cl的正极，第三开关管Q3的第三端连接第六开关管Q6的第二端，第六开关管Q6的第三端连接第七开关管Q7的第二端，第七开关管Q7的第三端连接第四开关管Q4的第二端，第四开关管Q4的第三端连接第二滤波电容C2的负极，第六二极管D6的负极连接第三开关管Q3的第三端，第七二极管D7的正极连接第七开关管Q7的第三端，第六二极管D6的正极和第七二极管D7的负极一并接中线(NEUTUAL)，第二储能电感L2的第一端连接第六开关管Q6的第三端，第二储能电感L2的第二端为UPS模块的输出端，第三滤波电容C3的正极连接第二储能电感L2的第二端，第三滤波电容C3的负极连接中线(NEUTUAL)。
下面说明该实施例的UPS模块的工作原理:首先说明的是，由于PFC整流单元100、DC/DC变换单元300分别与图3所示的实施例二的PFC整流单元100、DC/DC变换单元300的电路结构相同，其工作原理也是相同的，在此不做赘述，以下仅说明在逆变阶段的工作原理。首先说明的是，在该逆变单元200中，第三开关管Q3和第七开关管Q7互补通断，第四开关管Q4和第六开关管Q6互补通断。在逆变阶段，(I)输出交流电的正半周，第六开关管Q6保持常通，第四开关管Q4保持常闭，第三开关管Q3开通，第七开关管Q7关断时，第一滤波电容Cl通过第三开关管Q3、第六开关管Q6、第三滤波电容C3给第二储能电感L2储能；(2)输出交流电的正半周，第六开关管Q6保持常通，第四开关管Q4保持常闭，第三开关管Q3关断，第七开关管Q7开通时，第二储能电感L2通过第三滤波电容C3、第六二极管D6、第六开关管Q6续流；(3)输出交流电的负半周，第七开关管Q7保持常通，第三开关管Q3保持常闭，第四开关管Q4开通、第六开关管Q6关断时，第二滤波电容C2通过第三滤波电容C3、第七开关管Q7、第四开关管Q4给第二储能电感L2储能；(4)输出交流电的负半周，第七开关管Q7保持常通，第三开关管Q3保持常闭，第四开关管Q4关断、第六开关管Q6开通时，第二储能电感L2通过第七开关管Q7、第七二极管D7、第三滤波电容C3续流。
图6是本发明UPS系统实施例五的电路图，该UPS系统包括UPS模块和电池组(其两个端口为BAT+、BAT-)。在该实施例中，UPS模块包括第一开关S1、第二开关S2、PFC整流单元100、逆变单元200、DC/DC变换单元300和充电单元(未示出，其连接在连接电池组和逆变单元之间)。实施例五与实施例二的区别在于所采用的逆变单元200的电路结构不同。下面说明实施例五中逆变单元200的电路结构。
在实施例五中，该逆变单元200选用T型三电平逆变电路，此时，该逆变单元200包括第三开关管Q3、第四开关管Q4、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第二储能电感L2、第三滤波电容C3。其中，第六开关管Q6自身具有或外接与之反向并联的第六续流二极管，第七开关管Q7自身具有或外接与之反向并联的第七续流二极管，也就是说，第六开关管Q6可选用自带第六续流二极管的开关管，且该第六续流二极管与第六开关管Q6反向并联；同样地，第七开关管Q7可选用自带第七续流二极管的开关管，且该第七续流二极管与第七开关管Q7反向并联。然而，当第六开关管Q6、第七开关管Q7选用不带续流二极管的开关管时，需将第六开关管Q6反向并联一个第六续流二极管，将第七开关管Q7反向并联一个第七续流二极管。另外，第三开关管Q3可选用自带第三续流二极管的开关管，且第三续流二极管与第三开关管Q3反向并联，第三开关管Q3还可选用不自带续流二极管的开关管。第四开关管Q4可选用自带第四续流二极管的开关管，且第四续流二极管与第四开关管Q4反向并联，第四开关管Q4还可选用不自带续流二极管的开关管。在该实施例中，第三开关管Q3、第四开关管Q4、第六开关管Q6、第七开关管Q7均选用IGBT管。当然，在其它实施例中，也可能选用MOS管或其它类型的开关器件。当开关管选用IGBT管时，开关管的第二端为其集电极，开关管的第三端为其发射极，开关管的第一端为其门极驱动极，且门极驱动极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。当开关管选用MOS管时，开关管的第二端为其漏极，开关管的第三端为其源极，开关管的第一端为其栅极，且栅极连接控制电路(未示出)，所述控制电路用于控制各个开关管的通断频率及通断时间。在该逆变单元200中，第六开关管Q6的第二端连接中线(NEUTUAL)，第六开关管Q6的第三端连接第七开关管Q7的第三端，第七开关管Q7的第二端分别连接第三开关管Q3的第三端、第四开关管Q4的第二端及第二储能电感L2的第一端，第三开关管Q3的第二端连接第一滤波电容Cl的正极，第四开关管Q4的第三端连接第二滤波电容C2的负极，第二储能电感L2的第二端为UPS模块的输出端，第三滤波电容C3的正极连接第二储能电感L2的第二端，第三滤波电容C3的负极连接中线(NEUTUAL)。
下面说明该实施例的UPS模块的工作原理:首先说明的是，由于PFC整流单元100、DC/DC变换单元300分别与图3所示的实施例二的PFC整流单元100、DC/DC变换单元300的电路结构相同，其工作原理也是相同的，在此不做赘述，以下仅说明在逆变阶段的工作原理。首先说明的是，在该逆变单元200中，第三开关管Q3和第七开关管Q7互补通断，第四开关管Q4和第六开关管Q6互补通断。在逆变阶段，(I)输出交流电的正半周，第六开关管Q6保持常通，第四开关管Q4保持常闭，第三开关管Q3开通，第七开关管Q7关断时，第一滤波电容Cl通过第三开关管Q3、第三滤波电容C3给第二储能电感L2储能；(2)输出交流电的正半周，第六开关管Q6保持常通，第四开关管Q4保持常闭，第三开关管Q3关断，第七开关管Q7开通时，第二储能电感L2通过第三滤波电容C3、第六开关管Q6、与第七开关管Q7反向并联的第七续流二极管续流；(3)输出交流电的负半周，第七开关管Q7保持常通，第三开关管Q3保持常闭，第四开关管Q4开通、第六开关管Q6关断时，第二滤波电容C2通过第三滤波电容C3、第四开关管Q4给第二储能电感L2储能；(4)输出交流电的负半周，第七开关管Q7保持常通，第三开关管Q3保持常闭，第四开关管Q4关断、第六开关管Q6开通时，第二储能电感L2通过第七开关管Q7、与第六开关管Q6反向并联的第六续流二极管、第三滤波电容C3续流。
另外，在其它的实施例中，可将UPS系统实施例三(图4所示)中的逆变单元200替换成UPS系统实施例四(图5所示)或实施例五(图6所示)中的逆变单元200。
在上述实施例中，第一开关S1、第二开关S2优选继电器开关。
应当说明的是，以上实施例都是以仅包含一个UPS模块的UPS系统为例进行说明的，当然，本发明UPS系统中的UPS模块的数量还可为多个，该多个UPS模块的输出端相并联，且该多个UPS模块共用一个电池组，即，每个UPS模块的充电单元的两个输出端均分别连接电池组的两个端口，且每个UPS模块的DC/DC变换单元的两输入端均分别连接电池组的两个端口。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种UPS模块，用于对电池组进行充放电，所述UPS模块包括依次连接的PFC整流单元、逆变单元和充电单元，且在交流市电正常时，所述PFC整流单元将交流市电转换成直流电压，并为正负直流母线充电，所述逆变单元将所述正负直流母线间的电压逆变成交流电，并为负载供电，同时，所述充电单元对电池组进行充电，其特征在于，所述UPS模块还包括DC/DC变换单元，在交流市电异常时，所述DC/DC变换单元将所述电池组的输出电压通过所述PFC整流单元分时为正负直流母线充电。
2.根据权利要求1所述的UPS模块，其特征在于，所述PFC整流单元包括第一储能电感、第一二极管、第二二极管、第四二极管、第五二极管、第一开关管、第二开关管、第一滤波电容、第二滤波电容，其中，所述第一储能电感的第一端连接交流市电的一端，所述第一储能电感的第二端分别连接所述第一二极管的正极和所述第二二极管的负极，所述第一二极管的负极分别连接所述第四二极管的正极及所述第一开关管的第二端，所述第二二极管的正极分别连接所述第五二极管的负极及所述第二开关管的第三端，所述第一开关管的第三端和所述第二开关管的第二端分别连接中线，所述第一滤波电容的正极连接所述第四二极管的负极，所述第二滤波电容的负极连接所述第五二极管的正极，所述第一滤波电容的负极和所述第二滤波电容的正极分别连接中线。
3.根据权利要求1所述的UPS模块，其特征在于，所述PFC整流单元包括第一储能电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管、第一滤波电容、第二滤波电容，且第一开关管自身具有或外接与之反向并联的第一续流二极管，第二开关管自身具有或外接与之反向并联的第二续流二极管；其中，所述第一储能电感的第一端连接交流市电的一端，所述第一储能电感的第二端分别连接所述第一二极管的正极和所述第二二极管的负极，所述第一二极管的负极连接所述第一滤波电容的正极，所述第二二极管的正极连接所述第二滤波电容的负极，所述第一滤波电容的负极和所述第二滤波电容的正极分别接中线，所述第一开关管的第二端连接所述第一二极管的正极，所述第二开关管的第二端连接中线，所述第一开关管的第三端与所述第二开关管的第三端连接。
4.根据权利要求2或3所述的UPS模块，其特征在于，所述DC/DC变换单元包括第五开关管、第三二极管，其中，所述第五开关管的第二端连接所述电池组的正极，所述第五开关管的第三端连接所述第一储能电感的第一端，所述电池组的负极接中线，所述第三二极管的正极连接所述第二二极管的正极，所述第三二极管的负极连接所述第五开关管的第三端。
5.根据权利要求4所述的UPS`模块，其特征在于，所述UPS模块还包括第一开关和第二开关，其中，所述第一开关连接在交流市电和所述第一储能电感的第一端之间，所述第二开关连接在所述第五开关管的第三端和所述第一储能电感的第一端之间。
6.根据权利要求5所述的UPS模块，其特征在于，所述第一开关和第二开关分别为继电器开关。
7.根据权利要求2或3所述的UPS模块，其特征在于，所述逆变单元为两电平逆变电路、I型三电平逆变电路或T型三电平逆变电路。
8.根据权利要求7所述的UPS模块，其特征在于，所述两电平逆变电路包括第三开关管、第四开关管、第二储能电感、第三滤波电容；其中，第三开关管自身具有或外接与之反向并联的第三续流二极管，第四开关管自身具有或外接与之反向并联的第四续流二极管；所述第三开关管的第二端连接所述第一滤波电容的正极，所述第四开关管的第三端连接所述第二滤波电容的负极，所述第三开关管的第三端和所述第四开关管的第二端分别连接所述第二储能电感的第一端，所述第二储能电感的第二端为所述UPS模块的输出端，所述第三滤波电容的正极连接所述第二储能电感的第二端，所述第三滤波电容的负极连接中线。
9.根据权利要求7所述的UPS模块，其特征在于，所述I型三电平逆变电路包括第三开关管、第四开关管、第六开关管、第七开关管、第二储能电感、第三滤波电容、第六二极管和第七二极管，其中，所述第三开关管的第二端连接所述第一滤波电容的正极，所述第三开关管的第三端连接所述第六开关管的第二端，所述第六开关管的第三端连接所述第七开关管的第二端，所述第七开关管的第三端连接所述第四开关管的第二端，所述第四开关管的第三端连接所述第二滤波电容的负极，所述第六二极管的负极连接所述第三开关管的第三端，所述第七二极管的正极连接所述第七开关管的第三端，所述第六二极管的正极和所述第七二极管的负极一并接中线，所述第二储能电感的第一端连接所述第六开关管的第三端，所述第二储能电感的第二端为所述UPS模块的输出端，所述第三滤波电容的正极连接所述第二储能电感的第二端，所述第三滤波电容的负极连接中线。
10.根据权利要求7所述的UPS模块，其特征在于，所述T型三电平逆变电路包括第三开关管、第四开关管、第六开关管、第七开关管、第二储能电感、第三滤波电容，且第六开关管自身具有或外接与之反向并联的第六续流二极管，第七开关管自身具有或外接与之反向并联的第七续流二极管；其中，所述第六开关管的第二端连接中线，所述第六开关管的第三端连接所述第七开关管的第三端，所述第七开关管的第二端分别连接所述第三开关管的第三端、所述第四开关管的第二端及所述第二储能电感的第一端，所述第三开关管的第二端连接所述第一滤波电容的正极，所述第四开关管的第三端连接所述第二滤波电容的负极，所述第二储能电感的第二端为所述UPS模块的输出端，所述第三滤波电容的正极连接所述第二储能电感的第二端，所述第三滤波电容的负极连接中线。
11.一种UPS系统，包括电池组及一个UPS模块或输出端相并联的至少两个UPS模块，其特征在于，所述UPS模块为权 利要求1-10任一项所述的UPS模块。
全文摘要
本发明公开了一种UPS模块及UPS系统，该UPS模块包括依次连接的PFC整流单元、逆变单元和充电单元，且在交流市电正常时，PFC整流单元将交流市电转换成直流电压，并为正负直流母线充电，所述逆变单元将所述正负直流母线间的电压逆变成交流电，并为负载供电，同时，所述充电单元对电池组进行充电，所述UPS模块还包括DC/DC变换单元，在交流市电异常时，所述DC/DC变换单元将所述电池组的输出电压通过所述PFC整流单元分时为正负直流母线充电。本发明还构造一种UPS系统。实施本发明的技术方案，无需采用隔离升压变压器，节省了空间和成本，顺应了开关电源小型化的趋势，且减小了损耗，提高了效率。
文档编号H02J9/04GK103187787SQ20111044394
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者肖学礼, 陈宗辉, 沈宝山 申请人:力博特公司