专利名称：用于不间断电源的功率因数校正电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源技术，具体地说，涉及对不间断电源(UPS)中功率因数较正(PFC)电路的改进。
近几年，已有几种用于UPS的PFC电路被提出，例如在专利号为US419550的美国专利“具有能量变换及增强功能的UPS”(UninterruptiblePower Supply with Energy Conversion and Enhancement)中，公开了一种半桥式高频整流电路，其原理如图2所示。其中，通过控制Q21和Q22的开通和关断，可以在电容C21和C22上得到正负电压，同时使输入电流与输入电压的波形和相位一致。这种电路的其中一个缺点是Q21和Q22不能同时开通，否则Q21和Q22将把电容C1和C2直接短路，在系统中形成很大的短路电流。另一个缺点是电池挂接必须使用另一套变换电路，如图4所示，如此一来会增加整个系统的体积和重量，而且系统的可靠性也降低了。
在专利号为US6069412的另一个美国专利“带有改良电池连接的功率因数较正UPS”(Power Factor Corrected UPS with Improved Connection ofBattery to Neutral)中，公开了一种BOOST电路式PFC电路，其电路原理如图3所示。该PFC电路的基本拓扑是BOOST电路，通过控制Q31和Q32的开通和关断来完成升压和PFC的功能。
这种电路的电池挂接方法较多，较简单的一种如图5所示，通过开关S51和二极管D55、D56、D57将电池挂接到PFC电路，用两个变换器将电池电压分别升压为正母线电压和负母线电压。这种电路的缺点在于电池挂接用到功率二极管比较多，电路比较复杂。
本发明的上述技术问题这样解决，构造一种用于不间断电源的功率因数校正电路，其特征在于，包括由储能电感、开关管和整流器件组成的第一变换器和第二变换器，由两个电容串联所组成的储能支路，以及控制器；所述第一变换器可将给定正的直流电压转换成所需正的直流电压，所述第二变换器可将给定负的直流电压转换成所需负的直流电压；所述第一、第二变换器各有一个输入端及两个输出端，其输入端接市电交流火线，每一变换器的两个输出端与所述储能支路的两端并联，三者的并联接点分别作为正、负电压输出端；所述两个串联电容的公共点作为正、负电压的公共输出端，并同时接市电交流零线；所述控制器通过控制所述第一、第二变换器中开关管的导通和关断，可在所述两个电容上得到稳定电压，并使市电交流火线的输入电压与输入电流相位及波形一致。
本发明的PFC电路中，还包括一个可防止电池直流向市电交流方向释放能量的隔离器，所述市电交流火线经所述隔离器分成第一支路和第二支路，所述第一支路接所述第一变换器的输入端，所述第二支路接所述第二变换器的输入端。
本发明的PFC电路中，所述第一变换器由电感L1、开关管Q2和二极管D1组成，其中D1的负极接所述正电压输出端，D1的正极经开关管Q2接所述负电压输出端，同时经电感L1接所述第一支路；所述第二变换器由电感L2、开关管Q1和二极管D2组成，其中D2的正极接所述负电压输出端，D2的负极经开关管Q1接所述正电压输出端，同时经电感L2接所述第二支路；所述控制器根据信号采集装置T1、T2分别采集的所述电感L1、L2的输入电压和电流，输出相应控制信号到所述开关管Q1、Q2的控制极。
本发明的PFC电路中，可挂接单个电池B1，所述电池B1的正极经开关S1接所述L1的输入端、负极接所述零线输入端；还设有一个负极接所述零线输入端、正极经开关S2接所述L2的输入端的二极管D5。还可将电池B1与二极管D5反向后互换位置。
本发明的PFC电路中，还可挂接两个电池B1、B2，所述电池的正极经开关S1接所述L1的输入端、负极接所述零线输入端；所述电池B2的负极经开关S2接所述L2的输入端、正极接所述零线输入端。
本发明的PFC电路中，所述隔离器采用二极管D3、D4作为隔离器件，包括串联在所述市电交流火线与所述电感L1输入端之间的正向二极管D3，以及串联在所市电交流火线与所述电感L2输入端之间的反向二极管D4。
实施本发明提供的用于不间断电源的功率因数校正电路，电路结构简单，能够比较方便地挂接电池，能实现AC-DC变换、DC-DC变换和功率因数校正功能，尤其适用于在线式UPS使用。
图7是在图6所示PFC电路上挂接单个电池时的原理图；图8是图7所示电路的简化示意图；图9是在图6所示PFC电路上挂接两个电池时的原理图。
本发明一个优选实施例的PFC电路的原理如图6所示，该电路的输入端分别连接在市电的火线和零线上；输出可以输出两个幅值近似相等的直流电压，其中的公共端直接连在输入的零线上。
一般情况下，输入端的输入电压是频率较低的正弦波交流信号，如50Hz或60Hz。而开关的工作频率相对较高，一般为20kHz。二极管D3和D4将市电整流后得到正负两个脉动的直流电压。
当市电处于正半周时，控制开关管Q2的开通和关断可以在电容C1上得到稳定的电压，典型的电压值为380V。具体的工作过程如下当开通Q2时，市电电压和负母线电压叠加后给电感L1充电，电感L1中的电流增加，市电电源和负母线电容将能量储存在电感L1中；当开关Q2关断后，电感L1通过二极管D1续流。由于电容C1上的电压高于输入交流电源的电压，电感L1中的电流会减少，电感中的能量向电容C1中转移。在这个过程中，市电也继续向电容C1中传递能量。
当市电电压处于负半周时，控制开关管Q1的开通和关断可以在电容C2上得到稳定的电压，其典型值也是380V，具体的工作过程如下当开通Q1时，市电电压和正母线电压叠加后给电感L2充电，电感L2中的电流增加，市电电源和正母线电容将能量储存在电感L2中；当开关Q1关断后，电感L2通过二极管D2续流。由于电容C2上的电压绝对值高于输入交流电源的电压绝对值，电感L2中的电流会减少，电感中的能量向电容C2中转移。在这个过程中，市电也继续向电容C2中传递能量。
可见，市电电压经过D3和D4整流后得到正负两个脉动的直流电压。正电压经过L1、D1、Q2升压后得到稳压的正母线电压；负电压经过L2、D2、Q1升压后得到稳压的负母线电压。两个稳压后的母线电压供给逆变器进行DC-AC变换。
将母线电压+V和-V采集到控制器，用信号采集装置将电感L1和L2的电流和电感输入电压采集到控制器，对这几个采集量进行控制，可以在得到稳定的正负母线电压的同时将输入火线上的电流校正为与输入电压的波形和相位一致，从而实现了功率因数校正的功能。
其中二极管D3和D4在PFC电路中并不是必须存在，但这两个二极管对电池挂接有好处。在实际应用中也可以用可控硅代替。
如图7所示是本发明的其中一种电池挂接方法，其中电池B7的正极通过开关S1挂接到火线第一支路的D3与L1之间，负极连接到零线；火线第二支路的D4与L2之间经过串联的开关S2和二极管D5连接到零线。这里的开关S2和二极管D5也可以用一个可控硅来代替。当市电条件不满足预定范围或者市电消失时，将市电输入从变换器输入断开，将开关S1和S2合上，电池就挂接到电路中，电池可以继续供给变换器能量，给负载供电。其工作过程如下当开关管Q2导通时，电池电压与电容C2上的负母线电压叠加，给L1充电，电感L1上电流增加，电感L1中储存能量；当开关管Q2关断后，电感L1通过二极管D1续流。由于电容C1上的正母线电容电压高于电池电压，电感L1中的电流会减少，电感中的能量向电容C1中转移。在这个过程中，电池也继续向电容C1中传递能量。电池电压可以通过这个变换器给正母线提供能量。
另外，当开关S2合上后，Q1，D2，D5组成了一个BUCK-BOOST电路。当Q1开通时，电容C1通过Q1给电感L2充电，给电感L2储存能量，电感L2中的电流上升。当Q1关断后，电感L2通过二极管D2，D5续流，电感中的能量向C2中转移，给C2充电。控制开关管Q1的导通占空比就可以将C2上的电压稳定在预定范围内。该变换器可以将正母线电压转换成负母线电压。
从图7中可以看出，二极管D3和D4的作用在于可以阻止电池向另一个方向释放能量。其中的电池B1也可以挂接在负升压电路的电感输入侧，同时正升压电路与增加的二极管组成BUCK-BOOST电路。
图8是图7的简化图，可以较清晰的看到两个变换电路方框810内为正母线的升压变换电路；方框820内为负母线的变换电路。
图9是本发明的另外一种电池挂接方法，一组电池挂接在正升压电路的输入电感侧，将电池电压升压为正母线电压。另一组电池挂接在负升压电路的输入电感侧，将负电池电压升压为负母线电压。具体的工作过程与图7中类似，此处不再赘述。
权利要求
1.一种用于不间断电源的功率因数校正电路，其特征在于，包括由储能电感、开关管和整流器件组成的第一变换器和第二变换器，所述第一变换器可将给定正的直流电压转换成所需正的直流电压，所述第二变换器可将给定负的直流电压转换成所需负的直流电压；由两个电容串联所组成的储能支路；所述第一、第二变换器各有一个输入端及两个输出端，其输入端接市电交流火线，每一变换器的两个输出端与所述储能支路的两端并联，三者的并联接点分别作为正、负电压输出端；所述两个串联电容的公共点作为正、负电压的公共输出端，并同时接市电交流零线；以及控制器，所述控制器控制所述第一、第二变换器中开关管的导通和关断，使得火线中的输入电流与输入电压的相位和波形一致。
2.根据权利要求1所述的用于不间断电源的功率因数校正电路，其特征在于，还包括一个可防止电池直流向市电交流方向释放能量的隔离器，所述市电交流火线经所述隔离器分成第一支路和第二支路，所述第一支路接所述第一变换器的输入端，所述第二支路接所述第二变换器的输入端。
3.根据权利要求2所述的用于不间断电源的功率因数校正电路，其特征在于，所述第一变换器由电感L1、开关管Q2和二极管D1组成，其中D1的负极接所述正电压输出端，D1的正极经开关管Q2接所述负电压输出端，同时经电感L1接所述第一支路；所述第二变换器由电感L2、开关管Q1和二极管D2组成，其中D2的正极接所述负电压输出端，D2的负极经开关管Q1接所述正电压输出端，同时经电感L2接所述第二支路。
4.根据权利要求3所述的用于不间断电源的功率因数校正电路，其特征在于，所述控制器根据信号采集装置T1、T2分别采集的所述电感L1、L2的输入电压和电流，输出相应控制信号到所述开关管Q1、Q2的控制极。
5.根据权利要求3所述的用于不间断电源的功率因数校正电路，其特征在于，所述电池为单个电池B1，电池的正极经开关S1接所述L1的输入端、负极接所述零线输入端；还设有一个负极接所述零线输入端、正极经开关S2接所述L2的输入端的二极管D5。
6.根据权利要求3所述的用于不间断电源的功率因数校正电路，其特征在于，所述电池为单个电池B2，所述电池B2的负极经开关S2接所述L2的输入端、正极接所述零线输入端；还设有一个正极接所述零线输入端、负极经开关S1接所述L1的输入端的二极管。
7.根据权利要求3所述的用于不间断电源的功率因数校正电路，其特征在于，所述电池为两个电池B1、B2，所述电池B1的正极经开关S1接所述L1的输入端、负极接所述零线输入端；所述电池B2的负极经开关S2接所述L2的输入端、正极接所述零线输入端。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的用于不间断电源的功率因数校正电路，其特征在于，所述隔离器中采用二极管D3、D4作为隔离器件，包括串联在所述市电交流火线与所述电感L1输入端之间的正向二极管D3，以及串联在所市电交流火线与所述电感L2输入端之间的反向二极管D4。
全文摘要
本发明涉及一种用于UPS电源的PFC电路,包括第一变换器、第二变换器、两个电容串联所组成的储能支路、以及控制器,其特征在于,所述第一、第二变换器各有一个输入端及两个输出端,其输入端接市电交流火线,每一变换器的两个输出端与所述储能支路的两端并联,三者的并联接点分别作为正、负电压输出端;所述两个串联电容的公共点作为正、负电压的公共输出端,并同时接市电交流零线。所述控制器通过控制所述第一、第二变换器中开关管,使第一、第二变换器分别输出正、负的直流电压,并使市电输入电压与电流的相位及波形一致。本发明的PFC电路可方便地挂接单个电池、也可以挂接两个电池。
文档编号H02M1/00GK1363977SQ0211483
公开日2002年8月14日 申请日期2002年2月1日 优先权日2002年2月1日
发明者杨勇, 黄传东, 李建飞 申请人:深圳安圣电气有限公司