专利名称：一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法。
背景技术：
随着计算机应用的日益普及，特别是网络通讯的不断发展，计算机网络设备等对电源的要求越来越高。供电故障将导致网络系统的瘫痪，重要数据丢失和程序破坏，有的甚至导致磁盘损坏，造成不可弥补的损失。不间断电源(简称UPS)能提供完全净化的、不间断的电源，是网络信息设备必备的重要外围设备。信息技术的发展，特别是网络技术的广泛运用，对UPS提出更高的要求，推动UPS技术的发展。而控制技术，微处理器技术及功率器件的进步，则为UPS的发展提供了可能。UPS产品也将随着网络系统的普及而越来越被广泛的应用。
当前中小功率的UPS电路比较流行的是采用高频链结构，如图1所示，前级为功率因数校正电路(简称PFC)，后级直接用半桥逆变输出，电池的升压共用市电的PFC拓扑。该结构相当简洁，成本低，可靠性高，且输入输出零线共用，保证了用电器安全。
前级PFC一般采用倍压升压功率因数校正(Double Voltage BoostPFC)的方案。如图2所示，它是由两个Boost PFC组成，因二极管D1和D3的单向导电的特点，使得每个Boost变换器工作于电网的半个周期，而输出电压为每个Boost输出之和。上下两个PFC电路分别用各自的控制芯片控制，保证对应的输出稳压，输入电流为正弦半波。如在输入电压的正半周，二极管D1导通，D3截止，上路PFC电路工作，L1的电流为正弦半波，给C1和负载提供能量，此时下半路PFC不工作。当输入电源为负半周时，则情况正好相反。倍压Boost PFC电路具有以下特点，1)电路结构简单；2)输入输出共用零线，适用于UPS的前置级；3)输出电压高，且输出电压分别控制稳压，不存在电容电压均压问题。倍压BoostPFC电路具有以上特点，并且成熟可靠，业已成为中小功率单进单出UPS前置功率级的主流技术。但是，在现有产品的高频UPS结构中，蓄电池的挂接方式还存在电路复杂、元器件多的问题，而其控制方式所需电路也大多较为复杂。
发明内容
本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法，所需元器件少，控制方式简单。
为实现上述目的，本发明提出一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法，所述根据原电路电感的数量不同，分为以下两种不同的表现形式，二者属于同一构思一、双电感本电路包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路、整流电路和蓄电池接入支路，所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关Q1、第二二极管D2、第一电容C1和第一电感Lmain1，所述第一功率开关Q1的正端与第二二极管D2的阳极相连，负端与第一电容C1相连，第一电容C1的另一端与第二二极管D2的阴极相连，所述第一电感Lmain1一端与第一功率开关Q1的正端相连；下半路功率因数校正电路包括第二功率开关Q2、第四二极管D4、第二电容C2和第二电感Lmain2，第二功率开关Q2的负端与第四二极管D4的阴极相连，正端与第二电容C2相连，第二电容C2的另一端与第四二极管D4的阳极相连，第二电感Lmain1一端与第二功率开关Q2的负端相连；所述整流电路包括第一、三整流二极管D1、D3，所述第一二极管D1的阳极和第三二极管D3的阴极相连并接于输入电源一端，电源另一端接两路功率因数校正电路的共同中线；第一二极管D1阴极与第一电感Lmain1另一端相连，第三二极管D3阳极与第二电感Lmain1另一端相连；其特征是所述蓄电池接入支路包括蓄电池BATTERY、第一开关S1、第五二极管D5，蓄电池BATTERY负极与下半路功率因数校正电路中的第三二极管D3阳极相连，正极依次通过第一开关S1、第五二极管D5阳极、第五二极管D5阴极与上半路功率因数校正电路中的第一二极管D1阴极相连；所述第一、二功率开关(Q1、Q2)除与各自的驱动脉冲相连外，还与一个分时脉冲相连，驱动脉冲与分时脉冲的关系是逻辑与的关系。
二单电感本电路包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路、整流电路和蓄电池接入支路，两路功率因数校正电路的共同中线接电源一端；所述整流电路包括第一、三整流二极管D1、D3，所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关Q1、第二二极管D2、第一电容C1和第一电感Lmain1，所述第一功率开关Q1的正端与第二二极管D2的阳极相连，负端与第一电容C1相连，第一电容C1的另一端与第二二极管D2的阴极相连，所述第一电感Lmain1一端通过第一二极管D1正向与第一功率开关Q1的正端相连；下半路功率因数校正电路包括第二功率开关Q2、第四二极管D4、第二电容C2和与上半路功率因数校正电路共用的第一电感Lmain1，第二功率开关Q2的负端与第四二极管D4的阴极相连，正端与第二电容C2相连，第二电容C2的另一端与第四二极管D4的阳极相连；所述第三二极管D3的阴极接第一二极管D1的阳极，阳极与第二功率开关Q2负端相连；其特征是所述蓄电池接入支路包括蓄电池BATTERY、第一开关S1、第五二极管D5、第二开关S2，蓄电池BATTERY负极与第三二极管D3阳极相连，正极依次通过第一开关S1、第五二极管D5阳极、第五二极管D5阴极与第一电感Lmain1的另一端相连，第二开关S2一端和第五二极管D5相连，另一端接于电源另一端；所述第一、二功率开关(Q1、Q2)除与各自的驱动脉冲相连外，还与一个分时脉冲相连，驱动脉冲与分时脉冲的关系是逻辑与的关系。
所述控制方法的特征是在蓄电池接入工作时，采用一个额外的分时脉冲，按一低频周期分时控制第一、二功率开关的交替恒定导通时间，使电路达到升压功能。
由于采用了以上的方案，蓄电池的接入十分简单，只需一个开关(接入开关)、一个二极管。当输入有交流电压时，蓄电池接入开关断开，倍压功率因数校正电路工作。当输入电源掉电时，蓄电池开关闭合，蓄电池接入。而其控制方式也可采用简单的分时控制方式来实现，控制方式简单。
图1是采用高频链结构的不间断电源方框示意图。
图2是其中倍压功率因数校正电路原理图。
图3是本发明实施例一的蓄电池接入原理示意图。
图4是分时控制方式示意图。
图5a、5b、5c、5d是实施例一蓄电池供电时变换器的四种可能工作状态示意图。
图6是本发明实施例二的蓄电池接入原理示意图。
图7a、7b、7c、7d是实施例二蓄电池供电时变换器的四种可能工作状态示意图。
具体实施例方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一、见图3，双Boost电感方案一种用于不间断电源的前级倍压电路，包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路、整流电路和蓄电池接入支路，所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关Q1、第二二极管D2、第一电容C1和第一电感Lmain1，所述第一功率开关Q1的正端与第二二极管D2的阳极相连，负端与第一电容C1相连，第一电容C1的另一端与第二二极管D2的阴极相连，所述第一电感Lmain1一端与第一功率开关Q1的正端相连；下半路功率因数校正电路包括第二功率开关Q2、第四二极管D4、第二电容C2和第二电感Lmain2，第二功率开关Q2的负端与第四二极管D4的阴极相连，正端与第二电容C2相连，第二电容C2的另一端与第四二极管D4的阳极相连，第二电感Lmain1一端与第二功率开关Q2的负端相连；所述整流电路包括第一、三整流二极管D1、D3，所述第一二极管D1的阳极和第三二极管D3的阴极相连并接于输入电源一端，电源另一端接两路功率因数校正电路的共同中线；第一二极管D1阴极与第一电感Lmain1另一端相连，第三二极管D3阳极与第二电感Lmain1另一端相连；其特征是所述蓄电池接入支路包括蓄电池BATTERY、第一开关S1、第五二极管D5，蓄电池BATTERY负极与下半路功率因数校正电路中的第三二极管D3阳极相连，正极依次通过第一开关S1、第五二极管D5阳极、第五二极管D5阴极与上半路功率因数校正电路中的第一二极管D1阴极相连。
由于Q1、Q2分别由两个控制器独立控制，若不采取适当的控制方式，本电路可能不能很好的工作，因此必须采取一种新的控制方式——分时控制方式，即在蓄电池接入工作时，采用一个额外的分时脉冲，按一低频周期分时控制第一、二功率开关Q1、Q2的交替恒定导通时间，使电路达到升压功能。其控制波形如图4所示。
参照图4的分时控制驱动波形原理图，Vgs1和Vgs2分别为上下两路PFC为满足输出稳压等条件，通过各自的控制电路输出的驱动脉冲。分时控制方式就是采用一个额外的分时脉冲，如图4中的Vshare，按一低频周期分时控制Q1、Q2的交替恒定导通时间。如t1～t2控制Q1管恒定导通，t2～t3控制Q2管恒定导通。这样恒定导通的那路PFC的控制电路功能被“屏蔽”，不起作用，而另一路控制电路能正常工作，故此称这种控制方式为分时控制方式。一般Vshare的周期为工频周期，并与逆变器输出同步同相位，以保证输出电容纹波的最小化。这样真正控制开关管的脉冲变为图4所示的Vgs1′和Vgs2′。显然，Vshare脉冲和Vgs1′、Vgs2′是十分容易产生的，如Vshare和Vgs1逻辑与一下即产生Vgs1′。
当蓄电池接入后的倍压PFC电路工作于分时控制方式时，变换器有以下多种工作状态，在此以[t1-t2]阶段为例说明，在其它时间段类似。
状态1和状态2为两种稳态时阶段的工作状态，即在t1-t2时间内开关Q1一直导通时电路可能的工作状态。状态1为Q1、Q2导通，D2、D4反向截止，蓄电池通过D5给L1，L2充电。状态2为Q1导Q2关断，D2反向截止，D4导通，蓄电池和电感能量给电容C2充电。
状态3和状态4为分时控制过渡时除稳态之外还可能发生的另外两种工作状态，即在t2时刻，开关Q1由一直导通转为相应控制器控制时，电路可能有四种工作状态。状态3为Q1、Q2断开，D2、D4导通，蓄电池和电感能量给电容C1、C2充电。状态4为Q1断开、Q2闭合，D2导通，D4截至，蓄电池和电感能量给电容C1充电。
实施例二、见图6，单Boost电感方案与实施例一不同的是，它只包括一个电感，即第一电感Lmain1，但增加第二开关S2。所述两路功率因数校正电路共用第一电感Lmain1。所述第一功率开关Q1的正端与第二二极管D2的阳极相连，负端与第一电容C1相连，第一电容C1的另一端与第二二极管D2的阴极相连，所述第一电感Lmain1一端通过第一二极管D1正向与第一功率开关Q1的正端相连；下半路功率因数校正电路包括第二功率开关Q2、第四二极管D4、第二电容C2和与上半路功率因数校正电路共用的第一电感Lmain1，第二功率开关Q2的负端与第四二极管D4的阴极相连，正端与第二电容C2相连，第二电容C2的另一端与第四二极管D4的阳极相连；所述第三二极管D3的阴极接第一二极管D1的阳极，阳极与第二功率开关Q2负端相连；其特征是所迷蓄电池接入支路包括蓄电池BATTERY、第一开关S1、第五二极管D5、第二开关S2，蓄电池BATTERY负极与第三二极管D3阳极相连，正极依次通过第一开关S1、第五二极管D5阳极、第五二极管D5阴极与第一电感Lmain1的另一端相连，第二开关S2一端和第五二极管D5相连，另一端接于电源另一端。
对本例也采用相同的分时控制方式。其四种工作状态分别如图7a-7d所示。状态1和状态2为两种稳态时阶段的工作状态，即在t1-t2时间内开关Q1导通时电路可能的工作状态。状态1为Q1、Q2导通，D2、D4反向截止，蓄电池通过D5、D1给L1充电。状态2为Q1导通Q2关断，D2反向截止，D4导通，蓄电池和电感能量通过D5、D1给电容C2充电。
状态3和状态4为分时控制过渡时可能发生的其它两种工作状态，即在t2时刻，开关Q1由一直导通转为相应控制器控制时电路还可能的工作状态。状态3为Q1、Q2断开，D2、D4导通，蓄电池和电感能量给电容C1、C2充电。状态4为Q1断开、Q2闭合，D2导通，D4截至，蓄电池和电感能量给电容C1充电。
权利要求
1.一种用于不间断电源的前级倍压电路，包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路、整流电路和蓄电池接入支路，所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关(Q1)、第二二极管(D2)、第一电容(C1)和第一电感(Lmain1)，所述第一功率开关(Q1)的正端与第二二极管(D2)的阳极相连，负端与第一电容(C1)相连，第一电容(C1)的另一端与第二二极管(D2)的阴极相连，所述第一电感(Lmain1)一端与第一功率开关(Q1)的正端相连；下半路功率因数校正电路包括第二功率开关(Q2)、第四二极管(D4)、第二电容(C2)和第二电感(Lmain2)，第二功率开关(Q2)的负端与第四二极管(D4)的阴极相连，正端与第二电容(C2)相连，第二电容(C2)的另一端与第四二极管(D4)的阳极相连，第二电感(Lmain1)一端与第二功率开关(Q2)的负端相连；所述整流电路包括第一、三整流二极管(D1、D3)，所述第一二极管(D1)的阳极和第三二极管(D3)的阴极相连并接于输入电源一端，电源另一端接两路功率因数校正电路的共同中线；第一二极管(D1)阴极与第一电感(Lmain1)另一端相连，第三二极管(D3)阳极与第二电感(Lmainl)另一端相连；其特征是所述蓄电池接入支路包括蓄电池(BATTERY)、第一开关(S1)、第五二极管(D5)，蓄电池(BATTERY)负极与下半路功率因数校正电路中的第三二极管(D3)阳极相连，正极依次通过第一开关(S1)、第五二极管(D5)阳极、第五二极管(D5)阴极与上半路功率因数校正电路中的第一二极管(D1)阴极相连；所述第一、二功率开关(Q1、Q2)除与各自的驱动脉冲相连外，还与一个分时脉冲相连，驱动脉冲与分时脉冲的关系是逻辑与的关系。
2.一种用于不间断电源的前级倍压电路，包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路、整流电路和蓄电池接入支路，两路功率因数校正电路的共同中线接电源一端；所述整流电路包括第一、三整流二极管(D1、D3)，所述上半路功率因数校正电路包括第一功率开关(Q1)、第二二极管(D2)、第一电容(C1)和第一电感(Lmain1)，所述第一功率开关(Q1)的正端与第二二极管(D2)的阳极相连，负端与第一电容(C1)相连，第一电容(C1)的另一端与第二二极管(D2)的阴极相连，所述第一电感(Lmain1)一端通过第一二极管(D1)正向与第一功率开关(Q1)的正端相连；下半路功率因数校正电路包括第二功率开关(Q2)、第四二极管(D4)、第二电容(C2)和与上半路功率因数校正电路共用的第一电感(Lmain1)，第二功率开关(Q2)的负端与第四二极管(D4)的阴极相连，正端与第二电容(C2)相连，第二电容(C2)的另一端与第四二极管(D4)的阳极相连；所述第三二极管(D3)的阴极接第一二极管(D1)的阳极，阳极与第二功率开关(Q2)负端相连；其特征是；所述蓄电池接入支路包括蓄电池(BATTERY)、第一开关(S1)、第五二极管(D5)、第二开关(S2)，蓄电池(BATTERY)负极与第三二极管(D3)阳极相连，正极依次通过第一开关(S1)、第五二极管(D5)阳极、第五二极管(D5)阴极与第一电感(Lmain1)的另一端相连，第二开关(S2)一端和第五二极管(D5)相连，另一端接于电源另一端；所述第一、二功率开关(Q1、Q2)除与各自的驱动脉冲相连外，还与一个分时脉冲相连，驱动脉冲与分时脉冲的关系是逻辑与的关系。
3.一种用于上述不间断电源的控制方法，其特征是在蓄电池接入工作时，采用一个额外的分时脉冲，按一低频周期分时控制第一、二功率开关(Q1、Q2)的交替恒定导通时间，使电路达到升压功能。
全文摘要
本发明公开一种用于不间断电源的前级倍压电路及其控制方法,所述电路包括上半路功率因数校正电路、下半路功率因数校正电路和蓄电池接入支路,蓄电池接入支路包括蓄电池、第一开关、第五二极管,蓄电池负极与下半路功率因数校正电路相连,正极依次通过第一开关、第五二极管阳极、第五二极管阴极与上半路功率因数校正电路相连。其控制方法是按一低频周期分时控制第一、二功率开关的交替恒定导通时间。本发明的蓄电池接入方式元器件少,电路对称,控制简单、可靠。
文档编号H02J7/00GK1336709SQ01125170
公开日2002年2月20日 申请日期2001年8月24日 优先权日2001年7月26日
发明者张华建 申请人:深圳市安圣电气有限公司