具有双极输入的通用非隔离式充电器的制作方法

专利名称：具有双极输入的通用非隔离式充电器的制作方法
技术领域：
一般来说，本发明的各种实施方案涉及的是对不间断电源的电池进行充电。更为 确切的说是，至少一个实施方案涉及的是具有双极输入的通用非隔离式充电器。2.对相关技术的讨论不间断电源(UPS)被用于向多种不同类型的电子设备提供可靠的电源。通常情况 下，这种电子设备要求能从UPS获得特定的电压和/或电流输入。UPS电源输出端中的意外 波动会对电子设备产生危害，其将导致生产上的损失以及可能需要昂贵的维修费用进行维 护或者需要替换电子元件。附图1提供的是，一种典型的在线UPS100的结构图，其向负载140提供经调节的 电源和备用 的电源。与附图1所显示的UPS相类似的UPS可以从West Kingston, RI的美国 能量变换公司(APC)获得。UPS100包括整流器/升压变流器110，变极器120，控制器130， 电池150和隔离变压器的充电器160。UPS具有输入端112和114，用于分别与输入的AC电 源的线路和中性线相耦合，以及具有输出端116和118，用于向负载140提供输出线路和中 性线。根据线路模式的操作，在控制器130的控制作用下，整流器110接收输入的AC电 压，并在输出线121和122处相对于共用线路124提供阳极和阴极的输出端DC电压。隔离 变压器的充电器160可以用于通过使用隔离变压器来对电池150进行充电。根据电池模式 的操作，一旦AC电源损失，整流器110产生来自电池150的DC电压。共用线路124可以与 输入端的中性线114和输出端的中性线118耦合，以通过UPS100提供连续的中性线。变极 器120接收来自整流器110的DC电压，并在线路116和118处提供输出端的AC电压。现有的用于给UPS的电池进行充电的方案采用的是包括一种相对大型的隔离变 压器的绝缘半桥拓扑，其费用是昂贵的，并需要使用多种高价的关联元件，而且会由于不均 衡的流量发生饱和的情况，从而导致半导体设备的失效。

发明内容
本发明的至少一个方面涉及的是一种具有阳极DC总线，中性DC总线和阴极DC总 线的不间断电源。该不间断电源包括电池充电器电路，该电路具有感应器，第一充电器输出 端和第二充电器输出端。第一开关与感应器的第一末端相连接并被配置用于将阳极DC总 线与第一充电器输出端相耦合。第二开关与感应器的第二末端相连接并被配置用于将阴极 DC总线与感应器相耦合。中性DC总线可以耦合到第二充电器输出端上。电池充电器电路 可以被配置用于从至少阳极DC总线和阴极DC总线的其中之一上牵引电能，以用于给与第 一充电器输出端和第二充电器输出端相耦合的电池进行充电。本发明的至少一个其他的方面涉及一种用于对具有阳极DC总线，中性DC总线和 阴极DC总线的不间断电源的电池进行充电的方法。该方法将电池充电器电路中的第一充 电器输出端与阳极DC总线；和将电池充电器电路中的感应器与阴极DC总线的其中之一进行耦合。该方法将电池充电器电路中的第二充电器输出端与中性DC总线相耦合，并将来自 至少阳极DC总线和阴极DC总线的其中之一的电流通过感应器提供给电池。本发明的至少一个其他的方面涉及一种具有阳极DC总线，中性DC总线和阴极DC 总线的不间断电源。该不间断电源包括电池充电器电路，其具有感应器，第一充电器输出端 和第二充电器输出端。不间断电源包括用于选择性地将第一充电器输出端与阳极DC总线 相耦合；和将感应器与阴极DC总线相耦合的装置。第二充电器输出端可以与中性DC总线 耦合。电池充电器电路可以被配置用于使来自至少阳极DC总线和阴极DC总线的其中之一 的电流通过感应器来对电池进行充电。本发明的这些方面中的各种不同的实施方案都可以包括控制模块，其被配置用于 对第一开关和第二开关进行协调切换。在第一时间周期中，控制模块可以指示第一开关重 复进行阳极DC总线和第一充电器输出端之间的耦合和断开。在第二时间周期中，控制模块 可以被配置用于指示第二开关重复进行阴极DC总线和感应器之间的耦合和断开。在各种不同的实施方案中，第一开关可以被配置用于在第一连续时间周期内，传 送间断来自阳极DC总线的电流，和第二开关可以被配置用于在第二连续时间周期内，间断 传送来自中性DC总线的电流。第一和第二时间周期可以至少部分重叠。电池充电器电路 可以被配置用于同时接受来自阳极DC总线和阴极DC总线的电流。在一个实施方案中，DC 电源可以与至少阳极DC总线，中性DC总线和阴极DC总线的其中之一相耦合。不间断电源可以包括控制模块，其被配置用于产生上限电流临界值和下限电流临 界值，并被配置用于控制感应器的感应电流达到上限电流临界值和下限电流临界值之间的 一个值。控制模块可以调节第一脉冲宽度的调制控制信号的工作循环，以使得感应器的电 流低于上限电流临界值，以及控制模块可以调节第二脉冲宽度的调制控制信号的工作循 环，以使得感应器的电流高于下限电流临界值。在一个实施方案中，电池充电器电路可以包 括变压器和电阻器，以及控制模块可以被配置用于对至少变压器电压和电阻器电压的其中 之一进行采样，从而确定感应器的电流值。本文中所揭示的系统和方法的其他方面和优势将结合以下对应的附图所进行的 详细说明而变得显而易见，对于本发明的原理的举例说明仅仅是出于可以效仿的目的。


对应的附图并不是严格按照比例进行绘制的。在这些附图中，在各个附图中举例 说明的每一个相同或者几乎相同的元件都用相同的数字来表示。处于清楚描述的目的，并 不是每一个元件都标示在每一个附图中。在这些附图中附图1显示的是用于举例说明的处于操作状态下的不间断电源的功能性结构图；附图2显示的是用于举例说明的处于操作状态下的不间断电源的电池充电器电 路的功能性结构图；附图3显示的是用于举例说明的处于操作状态下的不间断电源的电池充电器电 路的功能性结构图；附图4显示的是用于举例说明的处于操作状态下的不间断电源的电池充电器电 路的功能性结构图；附图5显示的是用于举例说明的处于操作状态下的不间断电源的电池充电器电路的功能性结构图；附图6显示的是用于举例说明的处于操作状态下的不间断电源的电池充电器电路的功能性结构图；以及附图7显示的是用于举例说明的对处于操作状态下的不间断电源的电池进行充 电的方法的流程图。
具体实施例方式本发明并没有将其应用限定在以下附图中所举例说明的或者是在下文中所描述 的结构和元件的排列的任何细节上。本发明可以具有其他的实施方案，以及可以以各种不 同的方式进行实施。同样地，人们将会理解，在本文中所使用的术语和措词仅仅是出于描述 的目的，而不应该被认为是限制。术语“包括”，“包含”，“具有”或者“涉及到的”及其结合 使用是指包括列在其后的项目和等同物以及其他的项目。本发明的至少一个实施方案提供的是为电池，例如，附图1中的不间断电源，提供 一种改进的配电系统。然而，本发明的各种不同实施方案并不限于在不间断电源中使用，而 是可以在其他类型的电源或者其他系统中使用。正如在用于举例说明的附图中所示，本发明可以体现在用于对具有阳极DC总线， 中性DC总线和阴极DC总线的不间断电源中的电池进行充电的系统和方法中。这些系统和 方法可以选择性地将电池充电电路中的至少第一充电器输出端的其中之一与阳极DC总线 耦合在一起；和将电池充电电路中的感应器与阴极DC总线耦合在一起。这些系统和方法可 以将电池充电电路中的第二充电器输出端与中性总线耦合在一起，以及可以将来自至少阳 极总线和阴极总线的其中之一的电源通过电池充电电路提供给电池。本文中所描述的系统 和方法的各种实施方案可以对多个控制信号的工作循环中的一个或多个进行调制，以将电 池充电器电路的感应器中的电流维持在上限临界值和下限临界值之间。附图2显示的是，用于举例说明的处于操作状态下的不间断电源中的电池充电器 电路200的功能性结构图。电池充电器电路200通常至少包括阳极DC总线205，中性DC总 线210和阴极DC总线215。这些总线通常在电子元件之间传递或者共享电源。在一个实 施方案中，阳极DC总线205包括一种+400V的总线，中性DC总线210包括OV的总线，和阴 极DC总线215包括-400V的总线。总线205，210，215在电子元件之间可以用作接口。例 如，阳极DC总线205，中性DC总线210和阴极DC总线215中的每一个都可以将不间断电 源(在附图2中没有显示)与电池充电器电路200耦合在一起。在一个实施方案中，电池 充电器电路200可以包含在不间断电源中。例如，总线205，210，215可以包括阳极和阴极 的主线以及不间断电源的整流器的中性线。在一个实施方案中，阳极DC总线205，中性DC 总线210和阴极DC总线215可以与不间断电源相关联。在一个实施方案中，阳极DC总线205和中性DC总线210连接到至少一个第一电 容器220的相对一侧上。在一个实施方案中的第一电容器220可以与电压源相关联，例如， 不间断电源的整流器。第一电容器220可以直接或者通过中间电子元件将输入电压与不间 断电源连接在一起。在一个实施方案中，第一电容器220的阳极充电端可以连接到阳极DC 总线205上，和第一电容器220的阴极充电端可以连接到中性DC总线210上。在一个实施 方案中，第一电容器220可以安装在阳极主线和不间断电源的整流器的中性线之间。
电池充电器电路200也可能包括至少第二电容器225，在一个实施方案中，第二电 容器将中性DC总线210连接到阴极DC总线215上。例如，第二电容器225可以与电压源 相关联。在一个实施方案中，第二电容器225的阳极充电端可以连接到中性总线210上，以 及第二电容器225的阴极充电端可以连接到阴性总线215上。在一个实施方案中，第二电 容器220可以位于中性线和不间断电源的整流器的阴极主线之间。在一个实施方案中，第 一电容器220和第二电容器225中的任何一个或者这二者都可以包含在不间断电源的整流 器中。
电池充电器电路200也可以包括至少一个第一开关230。第一开关230通常包括 电子设备或者机械设备，其可以在电路中形成连接连接或者断开连接。例如，第一开关230 可以包括至少一个晶体管。在一个实施方案中，第一开关230包括至少一个场效应晶体管 (FET)，其他类型的晶体管(例如，双极接线，金属氧化物的半导体场效应晶体管等等)也是 可以使用的。在一个实施方案中，正如附图2所举例说明的那样，二极管235可以是电池充 电器电路200中的一个独立的元件。电池充电器电路200中的各种元件的额定电压是可以 改变的。例如，如果电容器220和电容器225都充电到400V，电容器225充电到200V，电容 器220和电容器225中的每一个都具有的额定电压是450V。在这一示意性实施方案中，开 关230和二极管235的额定电压是600V，开关240和二极管245的额定电压是800V，以及 电容器255的额定电压是250V。第一开关230可以在断开状态或者是在闭合状态下进行操作，通常情况下，第一 开关230可以在这两种状态之间进行切换。断开状态通常包括越过第一开关230 (例如，一 种断开电路)的非操作性电路，以及闭合状态通常包括越过第一开关230 (例如，一种闭合 电路)的操作性电路，以致在第一开关230的一侧上的元件可以与在第一开关230的另一 侧上的元件相连接。在一个实施方案中，当第一开关230闭合时，电流可以从阳极DC总线205流经电 池充电器电路200。例如，当第一开关230处于闭合位置时，电池充电器电路200可以包括 连接阳极DC总线205和中性DC总线210的闭合电路，以致电流可以由阳极DC总线205提 供。在其他的实施方案中，当第一开关230处于断开位置时，电池充电器电路200可以包括 断开电路，以致连接阳极DC总线205和中性DC总线210之间是断开的。在这一实施方案 中，在第一开关230断开时，电流不能从阳极DC总线205中牵引。电池充电器电路200也可以包括至少一个第二开关240。第二开关240包括至少 一个晶体管。第二开关240可以在断开状态或者是在闭合状态下进行操作，而且通常情况 下，第二公开关可以在这两种状态之间进行切换。断开状态通常包括越过第二开关240的 非操作性电路，以及闭合状态通常包括越过第二开关240的操作性电路，以致在第二开关 240的一侧上的元件可以与在第二开关240的另一侧上的元件相连接。在一个实施方案中，当第二开关240闭合时，电流可以从中性DC总线210流经电 池充电器电路200。例如，当第二开关240处于闭合位置时，电池充电器电路200可以包括 连接中性DC总线210和阴极DC总线215之间的闭合电路，以致电流可以由中性DC总线 210提供。在其他的实施方案中，当第二开关240处于断开位置时，电池充电器电路200可 以包括断开电路，以致连接中性DC总线210和阴极DC总线215之间是断开的。在这一实 施方案中，在第二开关240断开时，电流不能从阴极DC总线215中牵引。
电池充电器电路200可以包括至少一个电池250，和至少一个电容器255。在一个 实施方案中，电池250可以包括至少一个电池串。在一个实施方案中，当包括有电池充电器 电路200的不间断电源是以电池模式进行操作时，电池250可以向不间断电源供电。由电 池250提供的电源可以适用于，例如，不间断电源的元件，例如，变极器，或者直接适用于与 不间断电源相关联的直接连接的负载上。在一个实施方案中，电池250可以包括至少一个阳极终端Vbatt+和至少一个阴极终 端％ ”正如附图2中所举例说明的那样，阳极终端Vbatt+可以连接到第一充电器输出端 260上，和阴极终端Vbatt-可以连接到第二充电器输出端265上。人们将会理解，在各种不 同的实施方案中，这些连接关系可以是相反的，以致第一充电器输出端260可以连接到阴 极终端VBATT_上，和第二充电器输出端265可以连接到阳极终端Vbatt+上。在一个实施方案 中，第一充电器输出端260可以耦合终端，例如，将电池250的阳极终端Vbatt+与阳极DC总线 205相耦合。在这一实施方案中，阳极DC总线205和电池250之间的通过第一充电器输出 端260进行的耦合可以包括电池充电器电路200中的各种不同的元件，例如，第一开关230， 二极管245和本文中用于举例说明的其他元件，例如在附图2中所描述的那些元件。在一 个实施方案中，第二充电器输出端265可以耦合终端，例如，将电池250的阴极终端VBATT_与 中性DC总线210相耦合。人们将会理解，在附图2所举例说明的实施方案中，这些连接关 系可以是相反的，以致第二充电器输出端265可以连接到电池250的阳极终端Vbatt+上，和 电池250的阴极终端Vbatt-可以与第一充电器输出端260相连接。在一个实施方案中，电池充电器电路200可以包括至少一个控制模块270。控制 模块270通常控制的是开关，例如，第一开关230和第二开关240中的任何一个。控制模块 270可以感应到电池充电器电路200中的电流，例如，通过感应器275的电流。控制模块270 可以包括至少一个处理器，或者配置用于执行逻辑操作的电路，例如，控制第一开关230或 者第二开关240在断开和闭合状态之间进行切换动作。在一个实施方案中，控制模块270 是含有充电电路的不间断电源的主控制器。在一个实施方案中，控制模块270可以包括至 少一个控制信号发生器，用于产生，例如，具有工作循环的调制控制信号的脉冲，其可以适 用于第一开关230或者第二开关240，用以控制开关的操作。在一个实施方案中，具有第一 工作循环的调制控制信号的脉冲可以适用于第一开关230，和具有第二工作循环的调制控 制信号的脉冲可以适用于第二开关240。在这一实施方案中，第一工作循环(适用于第一开 关230的)和第二工作循环(适用于第二开关240的)可以是不同的工作循环。 电池充电器电路200可以包括至少一个感应器275，其可以具有，例如，小于15% 的感应系数，尽管其他的感应系数也是可以使用的。在一个实施方案中，感应器275的第一 末端可以连接到第一开关230上，和感应器275的第二末端可以连接到第二开关240上。在 用于举例说明的实施方案中，通过感应器275的电流可以由阳极DC总线205和阴极DC总 线210提供，这取决于第一开关230和第二开关240的状态。例如，当第一开关230处于闭 合状态时(即，形成连接)，通过感应器275的电流可以在从阳极DC总线205到中性DC总 线210之间的通路中提供。继续该用于举例说明的实施方案，当第二开关240处于闭合状 态时，通过感应器275的电流可以在从中性DC总线210到阴极DC总线215之间的通路中 提供。在一个实施方案中，第一开关230和第二开关240可以同时闭合。在这一实施方案 中，通过感应器275的电流可以同时又阳极DC总线205和中性DC总线210提供。在一个实施方案中，来自至少阳极DC总线205和阴极DC总线210的其中之一的电流可以通过感 应器275，并沿着第一充电器输出端260流动，以对电池250进行充电。在这一用于举例说 明的实施方案中，第二充电器输出端265可以与中性DC总线210耦合。在一个实施方案中，第一开关230和第二开关240可以替换进行开关，以致当一 个开关断开时，另一个开关是闭合的。例如，在实施方案中，当感应器275充电或者放电到 100kHz，第一开关230和第二开关240可以在50kHz时进行开关。在这一实施例中，第一开 关230和第二开关240中的损耗可以以感应器275的感应频率的一半的频率来发生。在其他的实施方案中，第一开关230和第二开关240可以协调切换，以致两个开关 都同时处于相同的状态。例如，第一开关230和第二开关240可以在相同的时间段中是全部 或者部分同时断开的。在另一个实施例中，第一开关230和第二开关240可以在相同的时 间段中是全部或者部分同时闭合的。在这一用于举例说明的实施例中，当第一开关230和 第二开关240同步操作时，第一开关230，第二开关240和感应器275中的每一个都可以以 相同的频率进行操作。例如，在各种不同的实施方案中，这些元件以改变的频率进行操作， 例如，从 20kHz 到 150kHz ο在一个实施方案中，第一开关230可以重复开关状态(例如，从断开到闭合)，而 第二 开关240保持相同的状态(例如，断开)。在一个实施方案中，第一开关230可以重复 进行从断开状态到闭合状态的开关操作，而第二开关240保持断开，电流可以从阳极DC总 线205提供到感应器275上。这一时间周期可以是，例如，10ms，尽管其他的时间周期也是 可以的。在一个实施方案中，当第一开关230在开关的状态之间循环时，第二开关240保持 断开，电流可以仅仅由阳极DC总线205提供给感应器275。人们将会理解，在其他的实施方 案中，电流的通路可以在相同的时间或者不同的时间内从阳极DC总线205和中性DC总线 210 二者中的之一或者这二者中提供到感应器275上。继续该用于举例说明的实施方案，当第一开关230在状态之间进行开关操作而第 二开关240保持断开时，在一个实施方案中，在第一开关230和第二开关240的操作时间周 期相反时，即第一开关230保持在一个状态下(S卩，断开)而第二开关240在一段时间周期 中重复进行开关状态的切换操作(即，重复断开和闭合)。在这一实施方案中，例如，电流可 以从中性DC总线提供给感应器275，而第二开关240循环工作和第一开关230保持断开。 在各种不同的实施方案中，这些循环操作可以继续进行，其中一个开关在断开和闭合的状 态之间进行重复的开关操作，而另外一个开关保持单一的状态，在各种不同的实施方案中， 其可以是断开的或者是闭合的状态。例如，第二开关240可以在断开状态或者闭合状态之 间进行周期性切换，而第一开关230维持断开状态在IOms的第一时间周期内。在第一时间 周期结束之后，第二开关240可以维持在单一的状态下(即，断开)，而第一开关230可以在 第二时间周期内，在断开状态或者闭合状态之间进行周期性切换，第二时间周期不是必须 也是IOms0在各种不同的实施方案中，在开关是协调切换的实施例中，可以替换的是，或者在 一个开关进行状态切换而另一个开关不发生状态切换的循环中，电池充电器电路200中的 元件，例如，感应器275，可以由至少阳极DC总线205和中性DC总线210的其中之一来提供 电流。这可能会交替出现或者同时出现，或者例如，连续出现，交叠出现或者在部分交叠的 时间周期中出现。
在一个实施方案中，控制模块270可以感应到感应器275中的电流。例如，控制模 块270可以是进行采样，感应，或者接收或者获得至少电阻器280或变压器285的其中之一 的电压的指示。在一个实施方案中，控制模块270可以获得当前的变压器285的备用电压， 其可以包括，例如，变压器具有偏差小于5%的1 100转化率。在一个实施方案中，电阻器 280和变压器285的电压可以合并在一起，以将感应器电流反馈给控制器270。然后，在至 少电阻器280和变压器285的其中之一的电压测量值的基础上，控制器270可以使用感应 器的反馈电流，以控制感应器275的电流，从而调节电池250的电压或电流。在一个实施方案中，控制模块270采用的是滞后控制，其通常控制感应器275的电 流，以致感应器的电流可以维持在一定范围之内，其可以通过上限临界值和下限临界值进 行限定。例如，电池充电器电路200可以包括电流感应变压器285和电流感应电阻器280， 其对感应器中的电流进行感应。被感应的感应器电流可以基于上限临界值和下限临界值进 行估计，以确定感应器的电流是否在范围之内。继续该用于举例说明的实施方案，当来自变 压器285或者电阻器280的信息表明，感应器中的电流接近或者低于最小的临界值时，控制 模块270可以闭合至少第一开关230和第二开关240的其中之一，并形成一条电流通路，使 电流能从至少阳极总线205和中性总线215的其中之一流向感应器275。在一个实施方案 中，当来自一个或多个电阻器280和变压器285的信息表明，感应器中的电流过高(例如， 接近或者操作最大的临界值)，控制模块270断开，例如，第一开关230，其断开阳极总线205 到感应器275的电流，从而降低感应器的电流。在一个实施方案中，控制模块270可以在与 电池250的电压有关的信息的基础上对感应器的电流进行控制。例如，在各种不同的实施 方案中，如果电池250的电压高于或者低于临界值，控制模块270可以断开或者闭合第一开 关230和第二开关240的其中之一，以便提供或者闭合用于使电流流经感应器275的通路。 在一个实施方案中，上限临界值和较低临界值可以在电池250的电压的基础上发生改变。控制模块270可以采用脉冲宽度调制技术(PWM)，其并不包括固定的频率控制。然 而，在一个实施方案中，固定的频率控制也可以使用，例如，开关230和240不是在每一个开 关循环中发生交替。例如，控制模块270可以包括至少一个控制信号发生器，用于箱第一开 关230和第二开关240中的每一个发出一个PWM控制信号。不同的工作循环可以与每一个 由控制模块270进行控制的PWM控制信号相关联。控制模块270可以调整PWM控制信号的 工作循环，例如，调整为开关至少第一开关230和第二开关240的其中之一的状态，以提高 或者降低流经感应器275的电流。在一个实施方案中，控制模块270可以在第一开关230中适用一种工作循环，和在 第二开关240中适用另一种不同的工作循环。在一个实施方案中，来自控制模块270的对 至少第一开关230和第二开关240的其中之一的各种不同的工作循环的集体适用将感应器 的电流维持在上限临界值和下限临界值之间的一个水平上。在一个实施方案中，用于控制 与第一开关230相关联的工作循环的上限临界值和下限临界值可以不同于用于控制与第 二开关240相关联的工作循环的上限临界值和下限临界值。在一个实施方案中，控制模块 270可以调节PWM控制信号的工作循环，用于将感应器中的电流控制在上限临界值和下限 临界值之间。例如，第一开关230可以从闭合位置切换为断开位置，以切断来自阳极DC总 线205的流经感应器275的电流，其可以降低感应器中的电流。在一个实施方案中，第二开 关240可以从断开位置切换为闭合位置，以使来自阴极DC总线215的电流流经感应器275从而提供 电流。人们将会理解，在各种不同的实施方案中，控制模块270可以通过滞后控制对开 关的状态进行控制，例如，第一开关230和第二开关240的其中之一或者这二者。这将调节 来自阳极DC总线205，中性DC总线210和阴极DC总线215的其中之一的电流。电流可以 流经感应器275，并且可以通过至少第一充电器输出端260和第二充电器输出端265的其中 之一适用到电池250上。适用到电池250上的电流通常情形下对电池250进行充电。人们将会进一步理解，第一开关230和第二开关240的其中之一或这二者都可以 断开或闭合以对，例如，来自阳极DC总线205，中性DC总线210和阴极DC总线215的其中 之一的电流进行调节，感应器275的电流或电压，以及适用到电池250上的电流或电压。为 了区分电池充电器电路200中的第一和第二元件的术语不应为视为限制。例如，第一和第 二元件，例如，第一开关230和第二开关240，或者第一充电器输出端260和第二充电器输出 端265可以是等同元件或者是可以替换的元件。附图3显示的是用于举例说明处于操作状态下的不间断电源的电池充电器电路 200的功能性方框图。在实施方案中，正如附图3所举例说明的那样，第一开关230处于闭合 位置，第二开关240处于断开位置。在用于举例说明的实施方案总中，闭合的第一开关230 形成阳极DC总线205和电池250之间的电路。正如附图3所示，感应器275可以由阳极DC 总线205供电，其可以通过第一充电器输出端260适用到电池250上。人们将会理解，来自 阳极DC总线205，中性DC总线210和阴极DC总线215的其中之一的电流可以包括从与这 些总线的任何其中之一耦合的电源提供的电流。正如附图3所示，开关240断开，以及在该 实施例中，感应器275并不从阴极DC总线215中牵引电流。正如附图3所示，第一开关230与感应器275的第一末端相连接。电流可以流经闭 合的第一开关230，经过感应器275并通过第一充电器输出端260到达电池250。在一个实 施方案中，当来自，例如，DC总线中的任何一条总线的电流从其中流过时，感应器275可以 被充电。在这一实施方案中，感应器电流可以随时间而提高。在另外一个实施方案中，当来 自感应器275的电流被牵引到电池250中时，感应器275可以放电，而且在该实施方案中， 感应器的电流可以随时间而降低。附图3举例说明的电流回路305，通常情况下，其描述的 是电流通过附图3的实施方案中的电池充电器电路200的情况，此时第一开关230闭合和 第二开关240断开。正如所举例说明的那样，人们可以看到，电池充电器电路200可以从连 接到阳极DC总线205和中性DC总线210上的电压源的电流流经第一开关和感应器275， 并向电池250提高电流。例如，控制模块270可以闭合第一开关230，从而牵引来自阳极DC 总线205的电流，提高流经感应器275的电流以为电池250进行充电。在一个实施方案中， 当第一开关230闭合而第二开关240断开时，人们将会理解，充电充电器电路200的大约一 半的电压(在一个实施方案中为200V)可以使用到感应器275中，例如，另外一个200V的 电压适用到电池250或者电容器255上。附图4显示的是用于举例说明的处于操作状态下的不间断电源的电池充电器电 路200的功能性方框图。在附图4的实施方案中，第一开关230和第二开关240都处于可 以操作的状态。在这一实施方案中，阳极DC总线205和阴极DC总线215都与感应器275 是电切断的。在一个实施方案中，来自至少阳极DC总线205和中性DC总线210的其中之一的电流可以通过电流回路405循环经过感应器275并分布到电容器255中。例如，电池充电 器电路200的操作状态可以随时间而改变。如果操作状态在包括实施方案的附图4所描述 的操作状态之前，第一开关230闭合，电流可以由阳极DC总线205提供；如果第二开关240 闭合，电流可以由中性DC总线210提供；以及如果第一开关230和第二开关240都闭合，电 流可以由阳极DC总线205和中性DC总线210这二者提供。继续该实施例，当这些状态中 的任何一种转变为附图4中举例说明的操作状态时，在电流回路405中的电流可能流经感 应器275和第一充电器输出端260以为电池250进行充电。在一个实施方案中 ，控制模块270可以对第一开关230和第二开关240进行操作， 原因在于，例如感应器的电流正接近或者超过上限临界值。在其他的实施方案中，第一开关 230和第二开关240可以在相同的时间内断开，从而避免过载，例如，电池250，电阻器280， 变压器285，电池充电器电路200中的其他元件，不间断电源，或者其负载。附图5显示的是用于举例说明的处于操作状态下的不间断电源的电池充电器电 路200的功能性方框图。在附图5的实施方案中，第一开关230断开和第二开关240闭合。 在第二开关240处于闭合位置的实施方案中，例如在附图5所举例说明的实施方案中，感应 器275可以通过感应器275接收来自中性DC总线210的电流。进行这一步骤，例如，可以 将感应器的电流维持在上限临界值和下限临界值之间的一个水平上。在一个实施方案中， 控制模块270可以闭合第二开关240，从而提供感应器的电流，其通过有电流回路505指示 的通路来流经感应器275。继续该用于举例说明的实施方案，开关240切换为断开状态，然 后，第二感应器的电流通过电流回路405适用到电池250上，正如附图4所描述的那样。在 一个实施方案中，第二开关240闭合而第一开关230断开，人们将会理解，电池充电器电路 200上的全部电压或者是几乎全部的电压(在一个实施例中是400V)可以适用到感应器 275 上。通过使第一开关230保持在断开的位置，并在附图5中的闭合位置和在附图4中 的断开位置之间重复切换第二开关240，感应器中的电流交替升高(当电流是有中性DC总 线210提供时)和降低(当电流被牵引到电池250时)。人们可以看到，在这一实施方案 中，电池充电器电路200通过重复改变附图4和附图5中的操作状态来操作电池250。人们 也会理解，重复操作附图3和附图4中的操作状态会导致感应器中的电流升高(当电流是 有阳极DC总线205提供时)和感应器中的电流降低(当电流被牵引到电池250时)。附图6显示的是用于举例说明的处于操作状态下的不间断电源的电池充电器电 路200的功能性方框图。在附图6的一个实施方案中，第一开关230和第二开关240都是 闭合的。正如附图6所举例说明的那样，闭合第一开关230和第二开关240可以使感应器 275从阳极DC总线205 (由于闭合第一开关230)充电和从中性DC总线210 (由于闭合第二 开关240)充电。正如附图6所示，电流回路305可以从阳极DC总线205对感应器275进 行充电，并将至少其中一部分电源通过第一输出端线260适用到电池250上。同样如附图 6所举例说明的那样，电流回路505可以对感应器275进行充电，以及之后充电可以通过电 流回路305牵引到电池250中。在一个实施方案中，处于闭合条件下的至少第一开关230和第二开关240的其中 之一可以导致感应器中的电流升高。例如，控制模块270可以闭合第一开关230和第二开 关240的其中之一或者这二者，以将感应器中的电流提高到高于临界值的程度。继续该实施例，为了减少感应器中的电流升高的比率，或者为了降低感应器的电流，控制模块270可 以断开第一开关230和第二开关240的其中之一或者这二者，(正如附图3-5中所举例说 明的那样)。在附图2-6的任何一个附图中所举例说明的实施方案都描述了在至少一个时刻 (time instant)中进行操作的电池充电器电路200。在各种不同的实施方案中，电池充电 器电路200的操作状态可以随时间改变。例如，第一开关230和第二开关240可以随时间 在断开和闭合的状态之间进行开关操作，而且是通过各种不同的方式进行的，其可以是重 叠的。在各种不同的实施方案中，第一开关230和第二开关240的其中之一或这二者都可 以是例如，断开的，闭合的，从断开转变为闭合的，或者从闭合转变为断开的。人们将会理解，在各种不同的实施方案中，对于电池充电器电路200的修改的配 置也是可以的。例如，阳极DC总线205，中性DC总线210和阴极DC总线215的其中之一可 以通过第一充电器输出端260，第二充电器输出端265以及中间的电路元件，例如在附图中 举例说明的那些元件，或者其他元件，或拓扑而与电池250的任何一端相耦合。电池充电器 电路200可以与任何一种拓扑兼容，例如，阳极和阴极DC总线用作输入端以对电池进行充 电，而电池的一端连接到阳极和阴极DC总线的中点或者中性线上。这可以包括，例如，双重 切换的不间断电源。

附图7显示的是用于举例说明的处于操作状态下的对不间断电源的电池进行充 电的方法700的流程图。在一个实施方案中，不间断电源包括阳极DC总线，中性DC总线和 阴极DC总线。方法700可以包括将电池充电器电路的第一充电器输出端与阳极DC总线 (ACT705)耦合在一起。第一充电器输出端与阳极DC总线(ACT705)之间的耦合可以包括通 过连接到电池终端上的充电器输出端将与源的电压相关联的阳极DC总线与电池连接在一 起。在一个实施方案中，阳极DC总线的耦合步骤(ACT705)可以包括通过电池充电器电路 中的一个或更多的中间元件，例如，一个或更多的变压器，二极管，感应器或者开关，将第一 充电器输出端与阳极DC总线连接在一起。在一个实施方案中，第一充电器输出端与阳极DC总线的耦合(ACT705)可以包括 在电池充电器电路的感应器的第一末端上执行第一切换的操作。例如，切换的操作可以闭 合开关以完成电连接，例如，将DC总线与电池输入线耦合在一起(ACT705)。在一个实施 方案中，在对DC总线与电池输入线进行重复耦合和断开的操作的时间周期内，第一切换的 操作可以不止一次地执行。在各种不同的实施方案中，阳极DC总线与第一充电器输出端 (ACT705)之间的耦合允许电池充电器电路中的感应器由阳极DC总线进行充电，并将电源 提供给与电池充电器电路相关联的电池。方法700也可以包括将电池充电器电路中的至少一个感应器与阴极DC总线耦合 在一起(ACT710)。在各种不同的实施方案中，感应器的耦合步骤(ACT710)可以包括将电池 充电器电路中的感应器直接地或者通过电池充电器电路中的中间元件，例如，用于举例说 明的开关，连接到阴极DC总线上。在各种不同的实施方案中的方法700可以执行阳极DC 总线的耦合(ACT705)，阴极DC总线的耦合(ACT710)，或者是阳极DC总线的耦合(ACT705) 和阴极DC总线的耦合(ACT710)。在一个实施方案中，DC总线与感应器之间的耦合(ACT 710)可以包括在感应器的 第二末端上执行第二切换的操作。例如，切换的操作可以闭合开关以完成电连接，例如，将DC总线与感应器耦合在一起(ACT710)。在一个实施方案中，在对阴极DC总线与感应器进 行重复耦合和断开的操作的时间周期内，第二切换的操作可以不止一次地执行。在各种不 同的实施方案中，阴极DC总线与感应器(ACT710)之间的耦合允许感应器由中性DC总线进 行充电，然而，可以对与电池充电器电路相关联的电池进行充电。在一个实施方案中，方法700可以执行将电池充电器电路中的第二充电器输出端与中性DC总线耦合在一起的步骤(ACT715)。例如，电池终端可以连接到，或者与电池充电 器电路中的充电器的输出端相接口，和充电器的输出端可以连接到与电源相关联的中性DC 总线上。在各种不同的实施方案中，中性DC总线可以与感应器和至少阳极DC总线和阴极 DC总线的其中之一形成闭回路。通常来说，本文中描述的任何耦合的步骤，例如，阳极DC总线的耦合(ACT705)， 阴极DC总线的耦合(ACT710)，或者是中性DC总线的耦合(ACT715)都可以包括将至少两 个元件之间进行直接的或者是通过一个或多个中间元件电连接，例如，各种不同的电路元 件。在一个实施方案中，方法700可以包括上文中描述的三个耦合步骤，(ACT705，ACT710， ACT715)，其可以分别将阳极DC总线，阴极DC总线和中性DC总线与包括到电池上的两个充 电器输出端的电池充电器电路耦合在一起，例如，第一充电器输出端与第一电池终端连接 在一起，和第二充电器输出端与第二电池终端连接在一起。人们将会理解，方法700可以包括具有三个输出端(例如，阳极，中性和阴极)的 电压源的实施方案，对具有两个终端(例如，阳极和阴极)的电池进行充电。在这一实施例 中，至少一个电池终端可以耦合，或者连接到电压源(即，中性DC总线)的中性输出端上和 其他的电池终端可以与电压源的阳极输出端或者电压源的阴极输出端(即，阳极DC总线或 者是阴极DC总线)耦合在一起。在一个实施方案中，方法700可以执行将电流通过电池充电器电路中的感应器适 用到电池上的步骤(ACT720)。在一个实施方案中，适用电流(ACT720)的步骤可以包括将来 自至少阳极DC总线和阴极DC总线的其中之一的电流通过感应器适用到电池上。例如，至 少第一和第二切换操作可以控制通路中的感应器电流，其来自至少阳极DC总线和阴极DC 总线的其中之一通过感应器用于对电池进行充电(ACT 720)。方法700通常包括控制第一 和第二切换操作，用于调整来自，例如阳极DC总线或者阴极DC总线的电流牵引，结果导致 至少阳极DC总线的耦合步骤(ACT 705)，阴极DC总线的耦合步骤(ACT 710)，和中性DC总 线的耦合步骤(ACT 715)其中之一。通常来说，对第一和第二切换操作的控制能够通过调 整来自感应器或者流向感应器的电流的数量来操纵感应器的电流。在一个实施方案中，附图1-7中的步骤或者元件包括不间断电源100中的元件。例 如，在各种不同的实施方案中，控制模块270包括控制器130，和电池250包括电池150。更 为明显的是，在一个实施方案中，电池充电器电路200可以包括没有显示的但与附图1中的 元件相对应的元件，例如，多路输入端，输出端，或者中性线。请注意，在附图1-7中，所列举的元件显示为单一的元件。然而，在本文所描述的 系统和方法中的真实的实施例中，所述元件可以是其他的电子设备中不可分离的元件，例 如，数字计算机。因此，上文中所描述的至少一部分元件和步骤可以至少部分地在软件中 执行，所述软件可以至少部分包含在包括程序存储器介质的制造物品中。程序存储器介质 可以包括一个或更多的载波，计算机盘(磁盘，或者是光盘(例如，CD，或者DVD，或者这二者)，非易失性存储器，磁带，系统存储器以及计算机硬件。通过上 文的描述可知，人们将会理解，本文所描述的系统和方法提供的是一种对 不间断电源的电池进行充电的简单和有效的方法。根据各种不同的实施方案的系统和方法 可以通过将电池的终端与电压源的中性总线连接起来对电池进行充电，以及将DC电源的 阳极总线和阴极总线连接到电路元件中以对电池进行充电。这消除了对绝缘半桥的包括绝 缘变压器和相关联的元件的拓扑的需要，其在减小尺寸和降低费用的同时提高了有效性和 可靠性。本文所涉及的系统和方法的实施方案或者元件或者步骤的任何参考是单数时也 可以包括具有多种元件的实施方案，以及指向本文中的任何实施方案或元件或步骤的任何 参考是双数时也可以包括仅仅具有一个元件的实施方案。无论是单数还是双数形式的参考 都不是对在此揭示的系统或方法，及其元件、步骤或者元件的限制。本文中揭示的任何一个实施方案都可以与其他任何的实施方法结合在一起，而且 是指“实施方案”，“一些实施方案”，“可以替换的实施方案”，“各种不同的实施方案”，“一个 实施方案”，或者是类似的描述而不是排除。任何一个实施方案都可以与其他的实施方案以 任何一种方式结合在一起，只要这种方式符合本文所揭示的目的、目标和需要。任何权项中所提到的技术特征都用参考标记进行标识，参考标记仅仅是增强对权 项的可理解性的目的，而且对应地是，任何参考标记或者参考标记的出现都不会对任何请 求保护的元件的范围产生影响。本领域内的普通技术人员将意识到，本文所揭示的系统和方法可以以其他特殊的 方式得以体现而不会脱离本发明的主旨或本质特征。举例来说，本发明的实施方案并不限 于不间断对于，而且，通常情况下，本法可以与其他任何一种电源，变流器，频率转换器，线 性调节装置或者其他系统一并使用。上文中所描述的实施方案是用于举例说明的全部的方 面，而不是对所描述的系统和方法的限制。因此，本文所描述的系统和方法的范围是由随附 的权利要求书所限定，而不是上文中的具体描述所限定，而且在权利要求的等同物的范围 和含义之内的所有的改变旨在包含其中的内容。
权利要求
1.一种不间断电源，该不间断电源包括 阳极DC总线，中性DC总线和阴极DC总线；电池充电器电路，其具有感应器，第一充电器输出端和第二充电器输出端； 第一开关，其与感应器的第一末端相连接并被配置用于将阳极DC总线与第一充电器 输出端耦合在一起；和第二开关，其与感应器的第二末端相连接并被配置用于将阴极DC总线与感应器耦合 在一起；其中中性DC总线被耦合到第二充电器输出端上；以及其中电池充电器电路被配置成用于从阳极DC总线和阴极DC总线中的至少一个中牵引 电能，以用于给与第一充电器输出端和第二充电器输出端耦合的电池进行充电。
2.根据权利要求1的不间断电源，包括被配置用于在第一开关和第二开关之间进行协调切换的控制模块。
3.根据权利要求1的不间断电源，包括控制模块被配置用于在第一时间周期内，指示第一开关重复进行阳极DC总线和第一 充电器输出端之间的耦合和断开。
4.根据权利要求3的不间断电源，其中控制模块被配置用于在第二时间周期内，指示 第二开关重复进行阴极DC总线和感应器之间的耦合和断开。
5.根据权利要求4的不间断电源，其中控制模块被配置用于在第一时间周期后续的一 段时间周期内，指示第二开关重复进行阴极DC总线和感应器之间的耦合和断开。
6.根据权利要求4的不间断电源，其中第一时间周期和第二时间周期都是在8和12毫 秒之间。
7.根据权利要求1的不间断电源，其中第一开关被配置用于在第一连续时间周期内间歇地传递来自阳极DC总线的电流；以及第二开关被配置用于在第二连续时间周期内间歇地传递来自中性DC总线的电流。
8.根据权利要求7的不间断电源，其中第一连续时间周期和第二连续时间周期至少是 部分重叠的。
9.根据权利要求1的不间断电源，其中电池充电器电路被配置用于同时接受来自阳极 DC总线和来自阴极DC总线的电流。
10.根据权利要求1的不间断电源，进一步包括DC电源，其与阳极DC总线、中性DC总线和阴极DC总线中的至少一个相耦合。
11.根据权利要求1的不间断电源，进一步包括被配置用于使感应器中的感应器电流达到上限电流临界值和下限电流临界值之间的一个值。
12.根据权利要求11的不间断电源，其中下限电流临界值是0安培。
13.根据权利要求11的不间断电源，其中 电池充电器电路包括电流变压器和电阻器；以及控制模块被配置用于对至少变压器电压和电阻器电压的其中之一进行采样，以确定感 应器电流值。
14.根据权利要求1的不间断电源，其中充电器电路被进行配置，以致电池可以从阳极 DC总线和阴极DC总线的每一个中牵引实质上相等的电能。
15.一种用于对具有阳极DC总线、中性DC总线和阴极DC总线的不间断电源的电池进 行充电的方法，该方法包括将至少以下的其中之一进行耦合电池充电器电路的第一充电器输出端与阳极DC总线相耦合；和电池充电器电路的感应器与阴极DC总线相耦合；将电池充电器电路中的第二充电器输出端与中性DC总线相耦合；以及使来自至少阳极DC总线和阴极DC总线的其中之一的电流通过感应器提供给电池。
16.根据权利要求15的方法，包括在感应器的第一末端上执行第一切换操作，以将阳极DC总线与第一电池输出端进行 耦合；以及在感应器的第二末端上执行第二切换操作，以将感应器与阴极DC总线进行耦合。
17.根据权利要求16的方法，包括对第一切换操作和第二切换操作执行协调操作。
18.根据权利要求16的方法，包括同时将阳极DC总线和第一电池输出端，以及阴极DC总线和感应器进行耦合。
19.根据权利要求16的方法，包括执行第一切换操作，以在第一时间周期内重复进行阳极DC总线和第一充电器输出端 之间的耦合和断开；以及执行第二切换操作，以在第二时间周期内重复进行阴极DC总线和感应器之间的耦合 和断开。
20.根据权利要求16的方法，包括产生上限感应器电流的临界值和下限感应器电流的临界值；将感应器的感应器电流控制在上限电流临界值和下限电流临界值之间的一个值上。
21.根据权利要求19的方法，包括对至少电池充电器电路变压器电压和电池充电器电路电阻器电压的其中之一进行采 样，以确定感应器的电流值。
22.根据权利要求19的方法，包括在至少部分基于电池的电压的基础上，对至少上限电流临界值和下限电流临界值的其 中之一进行调节。
23.根据权利要求15的方法，包括通过电池充电器电路从阳极DC总线和阴极DC总线的每一个中牵引出实质上等量的电 能来对电池进行充电。
24.—种不间断电源，该不间断电源包括 阳极DC总线，中性DC总线和阴极DC总线；电池充电器电路，其具有感应器，第一充电器输出端和第二充电器输出端； 装置，其选择性地将第一充电器输出端与阳极DC总线相耦合；和将感应器与阴极DC总线相耦合； 与中性DC总线相耦合的第二充电器输出端；以及电池充电器电路，其被配置用于使来自至少阳极DC总线和中性DC总线的其中之一的 电流流经感应器，从而对电池进行充电。
全文摘要
用于具有阳极DC总线，中性DC总线和阴极DC总线的不间断电源的系统和方法。所述不间断电源包括电池充电器电路，其具有感应器，第一充电器输出端和第二充电器输出端。第一开关与感应器的第一末端相连接并被配置用于将阳极DC总线与第一充电器输出端相耦合。第二开关与感应器的第二末端相连接并被配置用于将阴极DC总线与感应器相耦合。中性DC总线可以耦合到第二充电器输出端上。电池充电器电路可以被配置用于从至少阳极DC总线和阴极DC总线的其中之一上牵引电能，以用于给与第一充电器输出端和第二充电器输出端相耦合的电池进行充电。
文档编号H02M3/158GK102047543SQ200980120029
公开日2011年5月4日 申请日期2009年3月10日 优先权日2008年4月2日
发明者J·B·萨姆斯塔德 申请人:美国能量变换公司