专利名称：脱机式不间断电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及不间断电源装置，尤指 一种改进的脱机式不间断电源装置。
背景技术：
不间断电源(UPS)是一种交流电源供应器，其可以在市电不正常时 瞬间提供交流电。7>知的两种脱机式不间断电源，如图4、 5所示。图4 是一种筒单UPS结构，当市电正常时仅将市电通过滤波装置44直接经过 继电器45连到输出端，供连接在UPS输出端的负载使用；当市电不正常 时(电压过高或过低等)，UPS将其内部的电池41,先经过直流/直流转 换装置42 ( DC/DC converter )转换成高的直流电压，再利用直流/交流转 换装置43将此高的直流电压转换成交流电压再经过继电器45切换输出。 图5是另一种简单UPS结构，当市电正常时市电输入经过滤波装置51再 经过继电器52切换经过工频变压器53直接输出；当市电电压过低，经 由继电器52切换工频变压器的绕组抽头，提高电压输出；当停电时，UPS 将其内部的电池55,经逆变器54与工频变压器53产生交流电压输出。 然而图4与图5两种公知的UPS结构存在一定的缺点(1 )两种UPS结 构交流电压输出是一种方波形式，对于电感性负载(如变压器，马达)，此 种方波输出，将会造成负载容易损坏；(2)图4所示的UPS结构，只能 用在市电电压波动范围较小的场所；(3)图5所示的UPS结构，可用在 市电电压波动范围较大的场所，但是采用继电器直接切换工频变压器绕 组抽头，切换时会产生尖波电压影响电力供电质量，而且该市电电压的 调整器随时在线损耗功率。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种改进的脱机式不间断电源，其提供谐 波形状的交流电压输出并实现大电流对电池充电。主要利用控制电路控制直流/直流转换装置的工作方式，在市电停电时提供谐波形状的直流电 压，市电正常时对直流电源充电，直流母线上有多余能量时对直流电源 充电从而回收能量的三种工作模式。
为实现本发明的上述目的，本发明的脱机式不间断电源，包括 一交流输入，其^^皮耦合到交流电源； 一交流输出，其被耦合到负载端； 一直流电源，用来提供直流电压；
一直流/直流转换装置，其输入端被耦合到所述直流电源，输出端被 耦合到直流母线，该直流/直流转换装置包括一升压电路与 一降压电路， 一电容，其中所述升压电路包含一升压变压器、两个分别耦合于该升压 变压器的初极端与次极端的切换晶体管，以及两个二极管，所述降压电
路包含一降压变压器、 一耦合于该降压电路的切换晶体管，以及一个二 极管；
一直流/交流转换装置，其输入端被耦合到直流母线，输出端被耦合 到交流输出，该直流/交流转换装置包括四个切换晶体管以及一滤波电容；
一开关装置，其耦合于交流输出端，用以切换于市电供电与该不间 断电源装置供电；以及
一控制电路，其包括一微控制器和一脉冲宽度调变器，所述微控制 器输出 一谐波参考信号至所述脉冲宽度调变器，所述脉冲宽度调变器产 生PWM信号输出至所述直流/直流转换装置；
所述控制电路提供下列运行方式中的至少一种
第一种，在所述直流电源提供直流电压时，控制所述直流/直流转换 装置将直流电源提供的直流电压转换为谐波形状的直流高电压耦合到直 流母线上，供给所述直流/交流转换装置直流电压，经转换以提供交流电 压输出；
第二种，在所述直流电源不提供直流电压时，控制所述直流/直流转 换装置将直流母线上的直流高电压转换为直流电压，对直流电源进行充 电；
第三种，在直流母线上有多余能量时，控制所述直流/直流转换装置 将直流母线上的多余能量送回直流电源进行充电。上述技术方案通过微控制器和脉冲宽度调变器对直流/直流转换装置 进行控制，将直流电源提供的直流电压转换为谐波形状的直流高电压， 再经直流/交流转换装置转换为谐波形状的交流电压输出，有-'j地减少了 对电感性负载的损坏，并且在直流母线上有多余能量时，通过该直流/直 流转换装置回收多余能量对直流电源进行充电，有效地利用了电能，实 现节能目的。
本发明的另一目的在于提供一种脱机式不间断电源装置，其可以在 市电不稳定时，提高输入功因，并通过控制电路控制交流/直流转换装置 的动作方式输出谐波形状的直流高电压，乂人而在该脱才几式不间断电源装 置的输出端输出谐波形状的交流电压。
为实现本发明的上述目的，本发明的脱机式不间断电源装置还包括 一交流/直流转换装置，其输入端被耦合到交流输入，输出端被耦合到直 流母线，包括一全桥电3各，由一电感和一个切换晶体管组成的升压电路， 以及一 电容。该交流/直流转换装置的工作方式由所述控制电路控制,其中
所述微控制器通过控制PWM信号的导通，控制交流/直流转换装置的切 换晶体管的导通，使交流电压转换为经P WM信号的调制输出谐波形状的 直流高电压耦合至直流母线上。
通过上述技术方案，使本发明的脱机式不间断电源装置可用在市电 电压波动范围较大的场所，在市电不稳定时，输入电压由全桥电路全波 整流后，经升压电路转换为谐波形状的直流高电压，从而避免产生尖波 电压，并可提高输入功率因数、降低输入总谐波电流，因此可以适用于 市电电压波动范围较大的场所。
图1是根据本发明的一具体实施例的结构方框示意图2是根据本发明的一具体实施例的结构与控制信号方块示意图3是根据本发明的 一具体实施例的脱机式不间断电源原理图4是现有脱机式不间断电源的结构方框示意图；以及
图5是现有脱机式不间断电源的结构方框示意图。
具体实施例方式
请参考图1、图2、图3，为本发明的脱机式不间断电源的一较佳具 体实施例的图示。
在该具体实施例中，该脱机式不间断电源装置包括
一滤波装置ll，耦合于交流输入端；
一交流/直流转换装置12,其输入端耦合于滤波装置11的输出端， 用以提供谐波形状的直流高电压至直流母线；
一电池13,其在市电停电时用以提供直流电压；
一直流/直流转换装置14，其输入端耦合于电池13的输出端，用以 输出谐波形状的直流高电压至直流母线；
一直流/交流转换装置17,其输入端耦合于直流母线，输出端耦合于 交流输出，用以输出谐波形状的交流电压，该直流/交流转换装置包括四 个切换晶体管81、 82、 83、 84以及一滤波电容；
一继电器18，其耦合于交流输出端，用以切换市电供电与该脱机式 不间断电源装置供电；，以及
一控制电路，该控制电路包括一脉冲宽度调变器15, —微控制器16; 其中该脉冲宽度调变器15，分别耦合于所述交流/直流转换装置12、直流 /直流转换装置14与直流/交流转换装置，该脉冲宽度调变器15包括比较 器55与比较器56，比较器55用来对所述交流/直流转换装置12、直流/ 直流转换装置14与直流/交流转换装置实现过电流保护，比较器56用来 实现谐波调制，该脉冲宽度调变器15,提供四组PWM信号51~54给交 流/直流转换装置12、直流/直流转换装置14; 该微控制器16,耦合于所 述脉冲宽度调变器15与直流/交流转换装置17,该微控制器16控制由脉 沖宽度调变器15提供的PWM信号的导通或关断851 - 854，来管理交流 /直流转换装置12及直流/直流转换装置14的动作方式。
图3是根据本发明提出的脱机式不间断电源装置的较佳具体实施例 的原理图。其中直流/直流转换装置14，由变压器绕组141与变压器绕组 142组成推挽式(Push-pull)电路结构，利用2个切换晶体管经变压器绕 组142将电池电压升压转换成一个谐波形状的直流高电压输出到直流母 线上，并有电流回馈信号41送回比较器55与该比较器55内的参考电压进行比较，过电流时停止PWM输出，保护切换晶体管。另一方面变压器
绕组142与变压器绕组143组成降压式(Buck)电路结构，由另一个切 换晶体管将直流母线上谐波形状的直流高电压转换成直流电压由变压器 绕组143输出后送回电池充电。充电电压由电池电压回々贵信号42送回凝: 控制器16，由微控制器16来控制充电模式。由于共享变压器，只增加一 组绕组143及一个切换晶体管，就可提供较大的充电电流对电池充电， 并且可以用来将多余能量回收回电池储能，实现一种结构3种效果。
交流/直流转换装置12由全桥与升压式(Boost)电路结构组成，包 括一全桥电路，由一电感和一个切换晶体管组成的升压电^各，以及一电 容。市电电压过高时或市电电压过低时，将市电电压经全桥电i 各全波换 流转换为 一 谐波形状的直流电压，并使用 一 个切换晶体管来完成升压转 换的动作，将该全波换流的谐波形状的直流电压转换为谐波形状的直流 高电压输出到直流母线上。由所述微控制器16控制由脉冲宽度调变器15 提供的PWM信号51的导通或者关断，从而控制该切换晶体管的导通或 者关断。输入电压由该全桥电路全波整流后，经升压电路转换为谐波形 状的直流高电压输出至直流母线。
直流母线的直流电压由电压回馈信号22送回脉沖宽度调变器15内 的比较器56，并与微控制器16输出的参考信号86进行比较，从而调整 PWM宽度使直流母线上得到谐波形状的直流电压。电流回馈信号21送 回比较器55并与比较器55内的比较参考电压进行比较，过电流时停止 PWM输出，保护切换晶体管。升压式电路工作时可提升市电输入功率因 数、降低输入总谐波电流。
微控制器16控制由脉冲宽度调变器15提供的PWM信号51~54的 导通或关断，从而实现该脱机式不间断电源装置的3种工作模式。第一 种模式，在电池13提供电力时由微控制器16控制脉冲宽度调变器15提 供PWM信号52、 53的导通，PWM信号54的关断，将电池13电压转换 成谐波形状的直流高电压耦合于直流母线，再经直流/交流转换装置17将 该谐波形状的直流电压转换为 一 谐波形状的交流电压经继电器18输出， 以提供不断电电力。第二种模式，当电池13不提供电力时，由微控制器 16控制脉冲宽度调变器15提供PWM信号54的导通，PWM信号52、 53 的关断，将谐波形状的直流高电压转换为直流电压，并提供大电流对电池13充电。第三种模式，交流/直流转换装置12及直流/交流转换装置17
工作时会产生多余能量，而且不间断电源的输出端若接电感性负载(如
变压器，马达)，也会有多余能量经直流/交流转换装置17输出端，返回 直流母线上，当该谐波形状的直流电压不正常升高，由微控制器16控制 脉沖宽度调变器15提供PWM信号54的导通，PWM信号52、53的关断， 将直流母线上的多余能量送回电池充电。
本发明的脱机式不间断电源的该4交佳具体实施例的具体工作方式如
下
在市电正常时，输入端交流电压通过滤波装置11直接输出到输出端， 由继电器18切换至市电供电。
在市电电压不正常时，为了能提供稳定电压供电输出，而不是将市 电切离转由电池供电，市电输入经滤波装置11输入到交流/直流转换装置 12,该交流/直流转换装置12将市电电压全波换流升压转换为一谐波形状 的直流高电压输出到直流母线上，直流/交流转换装置17可以将此谐波形 状的直流电压切换经继电器18输出，使负载端得到一个谐波形状的交流 电压输出，提供稳定的电压供输出端的用户设备使用。
在市电停电时转由电池13供电，直流/直流转换装置14将电池13的 电压转换成 一 个谐波形状的直流高电压输出到直流母线上，直流/交流转 换装置17可以将此谐波形状的直流电压切换经继电器18输出，使负载 端得到一个谐波形状的交流电压输出，而不再需要透过复杂的线路来完 成。为达成该目的，请参照图2，微控制器16送出一个谐波参考信号86, 由微控制器16控制脉沖宽度调变器15提供PWM信号52、 53的导通， PWM信号54的关断，并跟随此参考信号调整PWM信号的宽度，从而使 直流/直流转换装置14跟随此参考信号将其输出调整为谐波形状的直流 电压供直流/交流转换装置17使用；并有一直流母线电压回馈信号22送 回脉冲宽度调变器15内比较器56，并与比较器56的内部参考电压进行 比较从而调整PWM宽度，该直流母线电压回馈信号22，也送回微控制 器16，来监控直流母线电压。直流/交流转换装置17的输出电压控制由 电压回馈信号85送回微控制器16来调整输出电压，并有一电池电压检 测信号42，送回微控制器16来检测电池的状况。脉冲宽度调变器15， 另有一比较器55,主要负责过电流保护，过载时停止PWM信号输出，
10交流/直流转换装置12由电流回馈信号21送回比较器55，直流/直流转换 装置14由电流回馈信号41送回比较器55,直流/交流转换装置17由电 流回馈信号71送回比较器55，此三组只要有一组先超过比较器55内部 参考电压将会停止输出PWM信号51 ~ 54。
可以理解的是，上述实施例的详细说明是为了阐述和解释本发明的 原理而不是对本发明的保护范围的限定。在不脱离本发明的主旨的前提 下，本领域的一般技术人员通过对上述技术方案的所教导的原理的理解 可以在这些实施例基础上做出修改，变化和改动。因此本发明的保护范 围由所附的权利要求以及其等同来限定。
权利要求
1、一种脱机式不间断电源装置，包括一交流输入，其被耦合到交流电源；一交流输出，其被耦合到负载端；一直流电源，用来提供直流电压；一直流/直流转换装置，其输入端被耦合到所述直流电源，输出端被耦合到直流母线；一直流/交流转换装置，其输入端被耦合到直流母线，输出端被耦合到交流输出；一开关装置，其耦合于交流输出端，用以切换于市电供电与该不间断电源装置供电；以及一控制电路；其特征在于，所述控制电路提供下列运行方式中的至少一种第一种，在所述直流电源提供直流电压时，控制所述直流/直流转换装置将直流电源提供的直流电压转换为谐波形状的直流高电压耦合到直流母线上，经所述直流/交流转换装置转换为谐波形状的交流电压输出以提供连续的电力；第二种，在所述直流电源不提供直流电压时，控制所述直流/直流转换装置将直流母线上谐波形状的直流高电压转换为直流电压，对直流电源进行充电；以及第三种，在直流母线上有多余能量时，控制所述直流/直流转换装置将直流母线上的多余能量送回直流电源进行充电。
2、 根据权利要求1所述的不间断电源装置，其特征在于还包括一交流/直流转换装置，其输入端^皮耦合到交流输入，输出端被耦合 到直流母线，由所述控制电路控制该交流/直流转换装置的工作方式，从 而使该交流/直流转换装置输出谐波形状的直流高电压耦合至直流母线。
3、 根据权利要求2所述的不间断电源装置，其特征在于所述交流 /直流转换装置包括一全桥电路，由一电感和一个切换晶体管组成的升压电路，以及一电容。
4、 根据权利要求1-3中任一项所述的不间断电源装置，其特征在于 所述控制电路包括一微控制器和一脉沖宽度调变器，所述微控制器输出 一谐波参考信号至所述脉冲宽度调变器，所述脉冲宽度调变器产生PWM 信号输出至所述直流/直流转换装置，并且所述脉冲宽度调变器还包括一 比较器用来比较谐波形状的直流电压与该谐波参考信号的电压用以调整 PWM信号的宽度，从而调整输出电压的谐波形状。
5、 根据权利要求4所述的不间断电源装置，其特征在于所述直流 /直流转换装置包括一升压电路与一降压电路， 一电容，其中所述升压电 路包含一升压变压器、两个分别耦合于该升压变压器的初极端与次极端 的切换晶体管，以及两个二极管，所述降压电路包含一降压变压器、一 耦合于该降压电路的切换晶体管，以及一个二极管。
6、 根据权利要求5所述的不间断电源装置，其特征在于在第一种模式下，所述微控制器根据直流母线电压，通过控制PWM 信号的导通，控制直流/直流转换装置的升压电路的切换晶体管的导通， 使直流电源输出的电压经PWM信号的调制输出谐波形状的直流高电压 耦合至直流母线上；在第二种模式下，所述微控制器通过控制PWM信号的导通，控制直 流/直流转换装置的降压电路的切换晶体管的导通，从而将谐波形状的直 流电压转换为直流电压对直流电源进行充电；在第三种模式下，所述微控制器通过控制PWM信号的导通，控制直 流/直流转换装置的降压电路的切换晶体管的导通，从而将直流母线上的 多余能量转换为直流电压对直流电源进行充电。
7、 根据权利要求5所述的不间断电源装置，其特征在于，所述微控 制器通过控制PWM信号的导通，控制交流/直流转换装置的切换晶体管 的导通，使交流电压转换为经P WM信号的调制输出谐波形状的直流高电 压耦合至直流母线上。
8、 根据权利要求5所述的不间断电源装置，其特征在于所i脉冲 宽度调变器包括另一比较器，交流/直流转换装置和/或直流/交流转换装置 和/或直流/直流转换装置分别送回电流反馈信号给该比较器，在送回的电流反馈信号超过比较器内的参考信号时，停止输出脉冲宽度调变信号， 从而保护交流/直流转换装置和/或直流/交流转换装置和/或直流/直流转换装置。
9、根据权利要求l所述的不间断电源装置.，其特征在于所述直流 /交流转换装置包括四个切换晶体管以及一滤波电容。
全文摘要
本发明涉及一种脱机式不间断电源装置，尤指一种可输出谐波形状的交流电压，并且具有功因提升功能的一种脱机式不间断电源装置。该脱机式不间断电源装置主要包括一被耦合到交流电源的交流输入，一被耦合到负载端的交流输出，一用来提供直流电压的直流电源，一输入端被耦合到所述直流电源、输出端被耦合到直流母线的直流/直流转换装置，一输入端被耦合到直流母线、输出端被耦合到交流输出的直流/交流转换装置，以及一控制电路；其中控制电路控制所述不间断电源装置实现三种工作模式在市电停电时提供谐波形状的直流电压，市电正常时对直流电源充电，直流母线上有多余能量时对直流电源充电从而回收能量。
文档编号H02J7/00GK101521392SQ20081003404
公开日2009年9月2日 申请日期2008年2月28日 优先权日2008年2月28日
发明者王庆文 申请人:德观电子(上海)有限公司