一种UPS拓扑电路的制作方法

本发明涉及UPS领域，更具体地说，涉及一种UPS拓扑电路。

背景技术：

目前的UPS拓扑电路，按照母线结构的不同可以分为单母线UPS拓扑电路和双母线UPS拓扑电路。图1是双母线UPS拓扑电路的电路图。图2是单母线UPS拓扑电路的电路图。如图1所示的双母线UPS拓扑电路，虽然其双母线结构具有效率高，开关器件选型容易的优点，但是由于其正、负母线交替半周工作，因此整体母线的利用率不高。在电池模式下，母线中点在电池正极、负极间交替切换，同时母线中点又与N线相连。因此，在多个双母线UPS拓扑电路共用电池组时，容易将引起短路炸机。如图2所示的单母线UPS拓扑电路的电路图，虽然其母线利用率高，且在电池模式下母线电容负极直接和电池负极相连，因此可以共用电池组，但是其输出N线通常不能与输入共通，因此需要增加一级隔离变压器。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的单母线UPS拓扑电路和双母线UPS拓扑电路各有优缺点的现况，提供一种可以实现单母线和双母线切换从而同时具备单母线拓扑和双母线拓扑优点的UPS拓扑电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种UPS拓扑电路，包括：

PFC/变换模块，用于接收从市电接收交流输入和从电池接收直流输入并对所述交流输入进行功率因数校正和对所述直流输入进行DC/DC变换；

母线切换解耦模块，用于改变母线电容挂接方式从而实现单母线和双母线 拓扑切换以为所述交流输入和所述直流输入提供电流流通路径；

逆变模块，用于将所述母线解耦模块输出的直流电压转换成交流输出

在本发明所述的UPS拓扑电路中，在市电模式下，所述母线切换解耦模块切换到双母线拓扑，所述UPS拓扑电路以双母线UPS拓扑电路工作；在电池模式下，所述母线切换解耦模块切换到单母线拓扑，所述UPS拓扑电路以单母线UPS拓扑电路工作。

在本发明所述的UPS拓扑电路中，所述母线切换解耦模块包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、零线开关、第一二极管和第二二极管，所述第一开关的第一端连接所述PFC模块的第一输出端、所述第二开关的第一端和所述第三开关的第一端连接所述PFC模块的第二输出端、所述第四开关的第一端连接所述PFC模块的第三输出端，所述第一开关的第二端连接所述第三开关的第二端和所述第二二极管的阳极，所述第二开关的第二端连接所述第四开关的第二端和所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接所述逆变模块的第一输入端，所述第二二极管的阴极连接所述逆变模块的第二输入端，所述零线开关的第一端连接零线，所述零线开关的第二端连接所述PFC模块的第二输出端。

在本发明所述的UPS拓扑电路中，所述母线切换解耦模块包括第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、零线开关、第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阳极连接所述逆变模块的第一输入端、阴极连接所述第一单刀双掷开关的动触头，所述第一单刀双掷开关的第一静触点连接所述PFC模块的第二输出端、第二静触点连接所述PFC模块的第三输出端，所述第二二极管的阴极连接所述逆变模块的第二输入端、阳极连接所述第二单刀双掷开关的动触头，所述第二单刀双掷开关的第一静触点连接所述PFC模块的第一输出端、第二静触点连接所述PFC模块的第二输出端，所述零线开关的第一端连接零线，所述零线开关的第二端连接所述PFC模块的第二输出端。

在本发明所述的UPS拓扑电路中，所述PFC模块包括PFC输入单元、开关管单元、第三二极管、第四二极管、第一母线电容和第二母线电容；所述PFC输入单元的第一输出端连接所述开关管单元的第一输入端和所述第三二 极管的阳极，所述PFC输入单元的第二输出端连接所述开关管单元的第二输入端和所述第四二极管的阴极，所述三二极管的阴极连接所述第一母线电容的正极，所述四二极管的阳极连接所述第二母线电容的负极，所述第一母线电容的负极连接所述逆变模块的第一输入端，所述第二母线电容的正极连接所述逆变模块的第二输入端。

在本发明所述的UPS拓扑电路中，所述开关管单元包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管的栅极连接控制信号，所述第一开关管的漏极连接所述PFC模块的第一输出端，所述第一开关管的源极连接所述第二开关管的漏极和所述PFC模块的第二输出端，所述第二开关管的源极连接所述PFC模块的第三输出端。

在本发明所述的UPS拓扑电路中，所述PFC输入单元包括第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第一电感、第二电感和电池，所述第五二极管的阳极连接第一交流输入端和第八二极管的阴极，所述第六二极管的阳极连接第二交流输入端和第九二极管的阴极，所述第七二极管的阳极连接第三交流输入端和第十二极管的阴极，所述第五二极管、第六二极管和第七二极管的阴极连接所述第五开关的第一端，所述第八二极管、第九二极管和第十二极管的阳极连接所述第六开关的第一端，所述第五开关的第二端连接第一电感的第一端和第七开关的第一端，所述第六开关的第二端连接第二电感的第一端和第八开关的第一端，第七开关的第二端连接电池正极，第八开关的第二端连接电池负极，所述第一电感的第二端连接所述PFC输入单元的第一输出端，所述第二电感的第二端连接所述PFC输入单元的第三输出端。

在本发明所述的UPS拓扑电路中，所述PFC输入单元包括第九开关和第十开关，所述开关管单元包括第十一开关和第十二开关，所述第九开关的第一端连接所述第一电感的第一端、第二端连接所述第二开关管的漏极和所述第十二开关的第一端，所述第十开关的第一端连接所述第二电感的第一端、第二端连接所述第一开关管的源极和所述第十一开关的第一端，所述第十二开关的第二端连接所述第十一开关的第二端。

在本发明所述的UPS拓扑电路中，所述PFC输入单元包括第五二极管、第六二极管、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第一电感和第二电感，所述第五二极管的阳极连接到单相输入端和所述第六二极管的阴极，所述第五二极管的阴极连接所述第五开关的第一端，所述第六二极管的阳极连接所述第六开关的第一端，所述第五开关的第二端连接第一电感的第一端和第七开关的第一端，所述第六开关的第二端连接第二电感的第一端和第八开关的第一端，第七开关的第二端连接电池正极，第八开关的第二端连接电池负极，所述第一电感的第二端连接所述PFC输入单元的第一输出端，所述第二电感的第二端连接所述PFC输入单元的第三输出端。

在本发明所述的UPS拓扑电路中，所述PFC输入单元包括第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第九开关、第十开关、第十一开关、第一电感、第二电感、第三电感和电池，所述第五二极管的阳极连接第一电感的第一端和第八二极管的阴极，所述第六二极管的阳极连接第二电感的第一端和第九二极管的阴极，所述第七二极管的阳极连接第三电感的第一端和第十二极管的阴极，所述第五二极管、第六二极管和第七二极管的阴极连接所述PFC模块的第一输出端，所述第八二极管、第九二极管和第十二极管的阳极连接所述PFC模块的第三输出端，所述第一电感的第二端经所述第五开关连接第一交流输入端，所述第二电感的第二端经所述第六开关连接第二交流输入端，所述第三电感的第二端经所述第七开关连接第三交流输入端，所述电池的正极经所述第八开关连接所述第五开关的第二端、经所述第九开关连接所述第六开关的第二端且经所述第十开关连接所述第七开关的第二端，所述电池的负极经所述第十一开关连接所述PFC模块的第三输出端。

实施本发明的UPS拓扑电路，通过母线切换解耦模块，可以将该UPS拓扑电路在单母线UPS拓扑和双母线UPS拓扑之间进行切换，因而可以同时兼顾双母线UPS拓扑结构和单母线UPS拓扑结构的优势。

附图说明

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是双母线UPS拓扑电路的电路图；

图2是单母线UPS拓扑电路的电路图；

图3是本发明的UPS拓扑电路的原理框图；

图4是本发明的UPS拓扑电路的第一实施例的电路原理图；

图5a是图4所示的UPS拓扑电路的市电模式的第一状态的等效电路图；

图5b是图4所示的UPS拓扑电路的市电模式的第二状态的等效电路图；

图5c是图4所示的UPS拓扑电路的市电模式的第三状态的等效电路图；

图5d是图4所示的UPS拓扑电路的市电模式的第四状态的等效电路图；

图6a是图4所示的UPS拓扑电路的电池模式的第一状态的等效电路图；

图6b是图4所示的UPS拓扑电路的电池模式的第二状态的等效电路图；

图7a是图4所示的UPS拓扑电路的市电到电池模式切换的时序逻辑图；

图7b是图4所示的UPS拓扑电路的电池到市电模式切换的时序逻辑图；

图8是本发明的UPS拓扑电路的第二实施例的电路原理图；

图9是本发明的UPS拓扑电路的第三实施例的电路原理图；

图10是本发明的UPS拓扑电路的第四实施例的电路原理图。

具体实施方式

图3是本发明的UPS拓扑电路的原理框图。如图3所示，本发明的UPS拓扑电路包括PFC/变换模块100、母线切换解耦模块200和逆变模块300。所述PFC/变换模块100与市电和电池分别电连接，或者所述PFC/变换模块100与市电连接且内置电池。因而，PFC/变换模块100可以用于接收从市电接收交流输入和从电池接收直流输入并对所述交流输入进行整流/功率因素校正，对所述直流输入进行DC/DC变换。所述母线切换解耦模块200分别与所述PFC模块100和所述逆变模块300电连接，从而用于改变母线电容挂接方式。通过改变母线电容的挂接方式，可以实现单母线和双母线拓扑切换以为所述交流输入和所述直流输入提供电流流通路径。所述逆变模块300用于将所述直流输入和所述交流输入转换成交流输出。在市电模式下，所述母线切换解耦模块200 切换到双母线拓扑，所述UPS拓扑电路以双母线UPS拓扑电路工作。在电池模式下，所述母线切换解耦模块200切换到单母线拓扑，所述UPS拓扑电路以单母线UPS拓扑电路工作。在电池模式下，可以通过采用单母线拓扑，可以将PFC模块中的前级电路独立出来，因为使得母线电容并联充电并且与零线隔离，从而实现多个UPS拓扑电路并机工作时共用电池组。

本领域技术人员知悉，在本发明中，任何已知的PFC模块、PFC电路、逆变模块、逆变器或者逆变电路都可以用于实现本发明的所述PFC模块100和逆变模块300。本领域技术人员进一步知悉，任何具备切换功能的母线切换模块、电路都可以用于实现本发明的所述母线切换解耦模块200。在本发明的图4、8-10所示的实施例中，示出了本发明的PFC模块100、母线切换解耦模块200的优选实施例。本领域技术人员知悉，除了本发明图示出的实施例以外，还可以采用其他PFC模块100、母线切换解耦模块200，只要其能够实现本发明的单双母线拓扑即可。

实施本发明的UPS拓扑电路，通过母线切换解耦模块，可以将该UPS拓扑电路在单母线UPS拓扑和双母线UPS拓扑之间进行切换，因而可以同时兼顾双母线UPS拓扑结构和单母线UPS拓扑结构的优势。

图4是本发明的UPS拓扑电路的第一实施例的电路原理图。如图4所示，本发明的UPS拓扑电路包括PFC模块100、母线切换解耦模块200和逆变模块300。其中所述PFC模块100进一步包括PFC输入单元、开关管单元、二极管D7、二极管D8、正母线电容C1和负母线电容C2。在本实施例中，该PFC输入单元包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、电感L1、电感L2和电池。所述开关管单元包括开关管Q1和开关管Q2。所述母线切换解耦模块包括开关S5、开关S6、开关S8、开关S9、开关S7、二极管D9和二极管D10。所述逆变模块300包括开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、二极管D11和二极管D12构成的逆变单元，和电感L3、电容C3和开关S10构成的输出单元。

如图4所示，所述二极管D1的阳极连接第一交流输入端A和二极管D4 的阴极。所述二极管D2的阳极连接第二交流输入端B和二极管D5的阴极。所述二极管D3的阳极连接第三交流输入端C和二极管D6的阴极。所述二极管D1、二极管D2和二极管D3的阴极连接所述开关S1的第一端，所述二极管D4、二极管D5和二极管D6的阳极连接所述开关S2的第一端。所述开关S1的第二端连接电感L1的第一端和开关S3的第一端，所述开关S2的第二端连接电感L2的第一端和开关S4的第一端，开关S3的第二端连接电池正极，开关S4的第二端连接电池负极，所述电感L1的第二端连接所述开关S8的第一端，所述电感L2的第二端连接所述开关S9的第一端。所述开关管Q1和开关管Q2的栅极连接控制信号，所述开关管Q1的漏极连接所述电感L1的第二端，所述开关管Q1的源极连接所述开关管Q2的漏极，所述开关管Q2的源极连接所述电感L2的第二端。开关S5和S6的第一端均连接到所述开关管Q1的源极和开关管Q2的漏极。所述S8的第二端连接所述开关S6的第二端和所述二极管D10的阳极。所述开关S5的第二端连接到开关S9的第一端和二极管D9的阴极。所述二极管D9的阳极连接开关管Q3的源极和正母线电容C1的负极。所述二极管D10的阴极连接开关管Q4的漏极和负母线电容C2的正极。二极管D7的阳极连接电感L1的第二端、阴极连接正母线电容C1的正极。二极管D8的阴极连接电感L2的第二端、阳极连接负母线电容C2的负极。零线开关S7的第一端连接所述开关管Q1的源极和开关管Q2的漏极、第二端连接零线。开关管Q3-Q6的栅极连接控制信号。开关管Q3的漏极连接开关管Q4的源极。开关管Q5的漏极连接正母线电容C1的正极、源极连接开关管Q6的漏极。开关管Q6的源极连接负母线电容C2的负极。二极管D11的阳极连接开关管Q3的源极、阴极连接二极管D12的阳极和开关管Q5的源极。二极管D12的阴极连接开关管Q4的漏极。电感L3的第一端连接到开关管Q5的源极和开关管Q6的漏极、第二端经开关S10连接到输出端。电容C3连接到输出端和零线之间。

图5a-5d是图4所示的UPS拓扑电路的市电模式的等效电路图。结合图5a-5d对市电模式下，UPS拓扑电路的工作原理说明如下。

在市电模式下，开关S1、开关S2、开关S5、开关S6、零线开关S7闭合， 开关S3、开关S4、开关S8、开关S9断开。市电通过开关S1、电感L1、开关管Q1、二极管D7、二极管D9、开关S5、开关S7对正母线电容C1充电；通过零线开关S7、开关管Q2、开关S6、二极管D10、二极管D8、电感L2、开关S2对负母线电容C2充电。因此市电模式下，所述UPS拓扑电路以双母线UPS拓扑电路工作。

图6a-b是图4所示的UPS拓扑电路的电池模式的等效电路图。结合图6a-6b对电池模式下，UPS拓扑电路的工作原理说明如下。

电池模式下，开关S3、开关S4、开关S8、开关S9闭合、开关S1、开关S2、开关S5、开关S6、开关S7断开。电池通过开关S3、电感L1、开关管Q1、开关管Q2、二极管D7、二极管D9、开关S9、电感L2、开关S4向正母线电容C1充能；通过开关S3、电感L1、开关管Q1、开关管Q2、开关S8、二极管D10、二极管D8、电感L2、开关S4向负母线电容C2充能；此时母线电容C1、C2并联充电。因此市电模式下，所述UPS拓扑电路以单母线UPS拓扑电路工作。

图7a-b是图4所示的UPS拓扑电路的市电到电池、和电池到市电模式切换的时序逻辑图；电池模式下PFC模块有两种发波方式：开关管Q1、开关管Q2同步高频发波；或一只开关管工频常通，另一只开关管高频发波。

市电切电池时，首先将开关管Q1、开关管Q2封波，然后断开开关S1、开关S2、开关S5、开关S6、开关S7，再闭合开关S3、开关S4、开关S8、开关S9，最后使能开关管Q1、开关管Q2发波，控制逻辑如图7a所示。

电池切市电时，首先将开关管Q1、开关管Q2封波，然后断开开关S3、开关S4、开关S8、开关S9，再闭合开关S1、开关S2、开关S5、开关S6、开关S7，最后使能开关管Q1、开关管Q2发波，控制逻辑如图7b所示。

由此可知，本发明的UPS拓扑电路通过调整母线电容挂接位置，使其在市电模式下工作在双母线模式，电池模式下工作在单母线模式。只要逆变侧的开关管Q3、开关管Q4保持工频同步，多个UPS拓扑电路即可共用电池组。

图8是本发明的UPS拓扑电路的第二实施例的电路原理图。如图8所示，本发明的UPS拓扑电路包括PFC模块100、母线切换解耦模块200和逆变模 块300。其中所述PFC模块100进一步包括PFC输入单元、开关管单元、二极管D7、二极管D8、正母线电容C1和负母线电容C2。与图4所示实施例相比，图8所示的UPS拓扑电路的仅PFC输入单元略有不同。因此，在此就不对母线切换解耦模块200和逆变模块300以及PFC的其余部分进行详细描述，仅对图8所示的PFC输入单元进行说明。

如图8所示，所述PFC输入单元包括二极管D1、二极管D2、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、电感L1和电感L2.所述二极管D1的阳极连接到单相输入端A和所述二极管D2的阴极。所述二极管D1的阴极连接所述开关S1的第一端，所述二极管D2的阳极连接所述开关S2的第一端，所述开关S1的第二端连接电感L1的第一端和开关S3的第一端，所述开关S2的第二端连接电感L2的第一端和开关S4的第一端，开关S3的第二端连接电池正极，开关S4的第二端连接电池负极，所述电感L1的第二端连接开关管Q1的漏极、开关S8的第一端和二极管D7的阳极。所述电感L2的第二端连接开关管Q2的源极、开关S9的第一端和二极管D8的阴极。

图8所示实施例是图4所示实施例的单相输入模式，其工作原理、发波控制机理与图4所示实施例相同。基于图4所示实施例的教导，本领域技术人员能够了解在单相输入模式下的工作原理，因此不再赘述。

图9是本发明的UPS拓扑电路的第三实施例的电路原理图。如图9所示，本发明的UPS拓扑电路包括PFC模块100、母线切换解耦模块200和逆变模块300。其中所述PFC模块100进一步包括PFC输入单元、开关管单元、二极管D7、二极管D8、正母线电容C1和负母线电容C2。与图4所示实施例相比，图9所示的UPS拓扑电路的仅PFC输入单元略有不同。因此，在此就不对母线切换解耦模块200和逆变模块300，以及PFC的其余部分进行详细描述，仅对图9所示的PFC输入单元进行说明。图9所示的UPS拓扑电路的第三实施例实际是图4所示的UPS拓扑电路的PFC模块的电感前置形式。

所述PFC输入单元包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、开关S7、电感L1、电感L2、电感L3和电池。所述二极管D1的阳极 连接电感L1的第一端和二极管D4的阴极，所述二极管D2的阳极连接电感L2的第一端和二极管D5的阴极，所述二极管D3的阳极连接电感L3的第一端和二极管D6的阴极，所述二极管D1、二极管D2和二极管D3的阴极连接开关管Q1的漏极、开关S8的第一端和二极管D7的阳极，所述二极管D4、二极管D5和二极管D6的阳极连接开关管Q2的源极、开关S9的第一端和二极管D8的阴极。所述电感L1的第二端经所述开关S1连接第一交流输入端A，所述电感L2的第二端经所述开关S2连接第二交流输入端B，所述电感L3的第二端经所述开关S3连接第三交流输入端C。所述电池的正极经所述开关S4连接开关S1的第二端、经所述开关S5连接开关S2的第二端且经所述开关S6连接开关S3的第二端，所述电池的负极经所述开关S7连接开关管Q2的源极、开关S9的第一端和二极管D8的阴极。

图9所示实施例是图4所示实施例的电感前置模式，其工作原理、发波控制机理与图4所示实施例相同。基于图4所示实施例的教导，本领域技术人员能够了解在电感前置模式下的工作原理，因此不再赘述。

图10是本发明的UPS拓扑电路的第四实施例的电路原理图。如图10所示，本发明的UPS拓扑电路包括PFC模块100、母线切换解耦模块200和逆变模块300。其中所述PFC模块100进一步包括PFC输入单元、开关管单元、二极管D7、二极管D8、正母线电容C1和负母线电容C2。与图4所示实施例相比，图10所示的UPS拓扑电路的仅PFC输入单元、开关管单元和母线切换解耦模块200略有不同。因此，在此就不对逆变模块300，以及PFC的其余部分进行详细描述，仅对图10所示的PFC输入单元和母线切换解耦模块200进行说明。

与图4所示实施例相比，图10所示的UPS拓扑电路的PFC输入单元进一步包括开关S8和开关S9。所述开关管单元进一步包括开关S10和开关S11。所述开关S8的第一端连接所述电感L1的第一端、第二端连接所述开关管Q2的漏极和所述开关S11的第一端，所述开关S9的第一端连接所述电感L2的第一端、第二端连接所述开关管Q1的源极和所述开关S10的第一端，所述开关S11的第二端连接所述开关S10的第二端。

所述母线切换解耦模块包括单刀双掷开关S5、单刀双掷开关S6、开关S7、二极管D9和二极管D10，所述二极管D9的阳极连接正母线电容C1的负极和开关管Q3的源极、阴极连接所述单刀双掷开关S5的动触头。所述单刀双掷开关S5的第一静触点连接开关S10和开关S11的连接点、第二静触点连接开关管Q2的源极和电感L2的第二端。所述二极管D10的阴极连接负母线电容C2的正极和开关管Q4的漏极、阳极连接所述单刀双掷开关S6的动触头，所述单刀双掷开关S6的第一静触点连接所述电感L1的第二端和开关管Q1的漏极、第二静触点连接开关S10和开关S11的连接点，所述开关S7的第一端连接零线，所述开关S7的第二端连接开关S10和开关S11的连接点。

图10所示实施例是图4所示实施例的单刀双掷开关形式，因此其工作原理、发波控制机理与图4所示实施例相同。基于图4所示实施例的教导，本领域技术人员能够了解其工作原理，因此不再赘述。由于图10所示实施例进一步包括开关S8、S9、S10和S11，因此在电池模式下，PFC模块可以切换成高增益模式，从而支持更宽的电池电压范围，也可以切换成普通增益模式，以适应普通增益使用。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。