双向DC‑DC转换器的制作方法

1.技术领域

本文中描述的至少一些实施例通常地涉及对在不间断电源(UPS：Uninterruptible Power Supply)中的电池进行充电和/或放电。

2.相关技术的讨论

不间断电源(UPS:uninterruptible power supplies)被使用在多种应用中以提供电力到电子负载，例如，在主电源发生中断期间依然试图操作的负载。通常来说，UPS包括或者被连接到主电源和备用电源，其中备用电源在主电源不可用(即，在备用操作模式中)时向电子负载提供电力。常见的是，主电源是AC电源，诸如来自电子公用设施的电力。备用电源通常包括提供DC电力的一个或多个电池，该DC电力可以被UPS转换成AC电力并且在备用操作模式期间被提供到电子负载。

发明概述

本发明的至少一个方面涉及不间断电源(UPS)，包括被配置为耦接到电源并且接收输入电力的输入端、被配置为耦接到电池并且接收DC电池电力的接口、被耦接到接口并且被配置为在第一操作模式中将源于输入电力的DC充电电力提供给电池并且在第二操作模式中将DC电池电力转换为备用DC电力的双向转换器、被配置为耦接到负载并且将源于输入电力和备用DC电力中的至少一个的输出电力提供给负载的输出端，以及被耦接到双向转换器并且被配置为在第一操作模式中以第一频率操作双向转换器以生成DC充电电力以及在第二操作模式中以第二频率操作双向转换器以生成备用DC电力的控制器。

根据一个实施例，UPS进一步包含被耦接到输入端并且被配置为将输入电力转换为DC电力的转换器、耦接到转换器和双向转换器的DC总线，以及被耦接到DC总线和输出端的逆变器，其中，双向转换器被配置为，在第一操作模式中接收经由DC总线的DC电力并且将DC电力转换成DC充电电力，而在第二操作模式中接收DC电池电力、将DC电池电力转换成备用DC电力并且向DC总线提供备用DC电力，以及其中逆变器被配置为将源自DC电力和备用DC电力中的至少一个的输出电力提供给负载。在一个实施例中，在第一操作模式中由双向转换器应用的第一增益是由控制器设定的第一频率的函数，并且在第二操作模式中由双向转换器应用的第二增益是由控制器设定的第二频率的函数。

根据另一个实施例，双向转换器是谐振转换器，其包括被配置为耦接到电池的至少一个电池接口、被耦接到至少一个电池接口的第一转换器桥、被耦接到第一转换器桥的第一谐振回路、第一整流器、被配置为在第二操作模式中选择性地将第一谐振回路耦接到第一整流器的继电器电路，以及被耦接在第一整流器和DC总线之间的至少一个总线接口，其中在第二操作模式中，控制器被配置为以第一频率操作第一转换器桥以将DC电池电力转换成第一AC电力，第一谐振回路被配置为应用第二增益以生成第二AC电力，并且第一整流器被配置为将第二AC电力转换成备用DC电力。在一个实施例中，第一转换器桥被配置为在第一转换器桥的接通和关断周期中的至少一个期间实现软开关。

根据一个实施例，双向转换器进一步包括被耦接到至少一个总线接口的第二转换器桥、经由继电器电路选择性地被耦接到第二转换器桥的第二谐振回路，以及被耦接到第二谐振回路的第二整流器，其中在第一操作模式中，控制器被配置为以第二频率操作第二转换器桥以将来自DC总线的DC电力转换成第三AC电力，第二谐振回路被配置为应用第一增益以生成第四AC电力，并且第二整流器被配置为将第四AC电力转换成DC充电电力。在一个实施例中，第二转换器桥被配置为在第二转换器桥的接通和关断周期的至少一个期间实现软开关。

根据另一个实施例，第一谐振回路包括被耦接到第一转换器桥的第一电感器、被耦接到第一电感器的第一电容器，以及变压器，其具有耦接到第一电容器的第一绕组和经由继电器电路选择性地耦接到第一整流器的第二绕组。在一个实施例中，第二谐振回路包括被耦接到第二转换器桥的第二电感器，以及被耦接到第二电感器的第二电容器，其中变压器具有经由继电器开关选择性地耦接到第二电容器的第二绕组，其中第一电容器被耦接到变压器的第一绕组，以及其中第一电感器被耦接到第二整流器和第一电容器之间。

本发明的另一方面涉及用于操作UPS的方法，UPS包括输入端、被配置为耦接到电池的接口以及输出端，方法包括监控从电源提供给输入端的输入电力；在第一操作模式中以第一频率操作双向转换器将源于所述输入电力的DC充电电力提供给电池；在第二操作模式中以第二频率操作双向转换器并且将来自电池的DC电池电力转换为备用DC电力；以及将源于输入电力和备用DC电力中的至少一个的输出电力提供给负载。

根据一个实施例，该方法还包括将输入电力转换成DC电力，以及在第一操作模式中利用双向转换器应用第一增益以生成具有充电电流电平的DC充电电力，第一增益是双向转换器的第一频率的函数。在一个实施例中，该方法还包括在第二操作模式中利用双向转换器应用第二增益以生成具有备用DC电力电平的备用DC电力，第二增益是双向转换器的第二频率的函数。

根据另一个实施例，方法还包括在第一操作模式中监控电池两端的电压电平，以及响应于监控电池两端的电压电平，调整双向转换器的第一频率以将充电电流电平维持在期望的电流参考电平。在一个实施例中，方法还包括确定电池两端的电压电平低于最大电压电平，以及响应于确定电池两端的电压电平低于最大电压电平，设定双向转换器的第一频率以将充电电流电平维持在最大电流参考电平。在另一个实施例中，方法还包括响应于确定电池两端的电压电平在最大电压电平，设定双向转换器的第一频率以充电电流电平维持在零值。

根据一个实施例，该方法还包括在第二操作模式监控电池两端的电压电平，以及响应于监控电池两端的电压，调整双向转换器的第二频率以将备用DC电压电平维持在参考电压电平。

根据另一个实施例，在第一操作模式中以第一频率操作双向转换器包括在双向转换器的接通和关断周期中的至少一个期间实现软开关。在一个实施例中，在第二操作模式中以第二频率操作双向转换器的步骤包括在双向转换器的接通和关断周期中的至少一个期间实现软开关。

本发明的至少一个方面涉及不间断电源(UPS)，其包括被配置为耦接到电源并且接收输入电力的输入端、被配置为耦接到电池并且接收备用DC电力的接口、被配置为耦接到负载并且将源于输入电力和备用DC电力中的至少一个的输出电力提供给负载的输出端，以及用于提供在电池和UPS之间的双向DC-DC转换的装置。

根据一个实施例，UPS还包括用于在提供双向电力转换装置的接通和关断周期中的至少一个期间实施软开关的装置。

附图简述

所述附图不是旨在按比例绘制。附图中，在多个附图中示出的每个相同的或几乎相同的部件可用相似的数字表示。为清楚起见，可能没有在每个图中对每个部件进行标记。在附图中，

图1是根据本发明的方面的在线UPS的结构框图；

图2是根据本发明的方面的双向谐振DC-DC转换器的电路框图；

图3是根据本发明的方面的在放电器操作模式中的双向谐振DC-DC转换器的等效谐振回路电路的电路框图；

图4是显示根据本发明的方面的在放电器操作模式中的双向谐振DC-DC转换器的电压增益对均一化开关频率的图表；

图5包括示出根据本发明的方面的在不同操作区域期间通过双向谐振DC-DC转换器的谐振回路的不同分支的电流的图表；

图6是根据本发明的方面在充电器操作模式中的双向谐振DC-DC转换器的等效谐振回路电路的电路框图；

图7是示出根据本发明的方面的在充电器操作模式中的双向谐振DC-DC转换器的电压增益对均一化开关频率的图表；

图8是将本发明的多个实施例实施在其上的系统的结构框图；

图9是根据本发明的方面的双向谐振DC-DC转换器的另一个实施例的电路框图；

图10是根据本发明的方面的双向谐振DC-DC转换器的另一个实施例的电路框图；以及

图11是根据本发明的方面的双向谐振DC-DC转换器的另一个实施例的电路框图。

详细描述

本文讨论的方法和系统的示例不被限制在以下描述中所阐述或所附附图中示出的组件的结构和布置的细节的应用中。该方法和系统能够在其他实施例中实现且以各种方式来实践或执行。本文提供的特定实施方式的示例仅用于例证的目的且不旨在进行限制。特别地，结合任意一个或多个示例一起讨论的动作、组件、元件和特征不旨在被排除在任意其他示例中的类似作用之外。

另外，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的且不应被视为限制。对于本文中对系统和方法的示例、实施例、组件、元件或动作的任何单数引用还可涵盖包括复数的实施例，并且本文中对于任何实施例、组件、元件或动作的复数形式的任何引用也可涵盖包括仅单数的实施例。以单数或复数形式的引用不旨在限制当前所公开的系统或方法、其组件、动作或元件。本文中“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型的使用意味着涵盖其后列出的项目及其等同物以及另外的项目。“或”的引用可以被视为包含的，使得利用“或”描述的任意术语可以指示所描述术语中的单个、多于一个以及全部中的任一个。此外，在这个文档和通过引用被并入本文的文档之间的术语的不一致使用的情况下，在被并入的参考资料中的术语使用是对本文档的术语使用的补充；对于不能协调的不一致性，以在本文档中的术语使用为准。

如上所述，在典型的UPS中的备用电源是电池。常见的在线UPS采用两个单向且隔离的DC-DC转换器以将其电池与耦接到AC/DC转换器和DC/AC逆变器之间的内部高电压DC总线进行对接。第一DC-DC转换器(例如，放电器)在电池操作模式中从电池对DC总线进行馈入(feed)，以及第二DC-DC转换器(例如，充电器)从DC总线对电池进行充电。

在某些在线UPS应用中，充电器被设计为具有低额定功率，因为其旨在用于仅支持UPS内部电池的充电。在其他应用中(例如，在使用高容量外部电池或者期望快速的电池充电时间时)，可以采用高功率充电器。在这种情况下，高功率充电器的额定功率与高功率放电器的额定功率相当。然而，在UPS系统中使用两个具有相对相同容量的高功率转换器(例如，充电器和放电器)可能会导致差的转换器利用率(例如，在给定时间内仅使用了一个转换器)、低功率密度、UPS尺寸增加、UPS重量增加和/或UPS成本增加。相应地，本文描述的双向谐振DC-DC转换器克服了上述使用双高功率转换器涉及的问题。

图1是根据本发明的至少一个实施例的包括双向谐振DC-DC转换器122的在线UPS100的结构框图。UPS100也包括输入端102、输出端106、输出继电器107、旁通线路104、旁通继电器105、AC/DC转换器110、DC总线114、DC/AC逆变器112、电池118以及控制器120。

输入端102被配置为耦接到AC电源101(诸如公用设施电源)和AC/DC转换器110。输入端102也选择性地通过旁通线路104和旁通继电器105耦接到输出端106。AC/DC转换器110通过DC总线114也耦接到DC/AC逆变器112。DC/AC逆变器112也通过输出继电器107选择性地耦接到输出端106。电池118通过接口119和双向谐振DC-DC转换器122耦接到DC总线114。控制器120被耦接到输入端102、旁通继电器106、输出继电器107、双向谐振DC-DC转换器122、AC/DC转换器110以及DC/AC逆变器112。

基于从公用设施电源101接收到的AC电力的质量，UPS100被配置为在不同的操作模式下操作。例如，根据一个实施例，控制器120监控在输入端102处从公用设施电源101接收的AC电力，并基于监控的AC电力发送控制信号到旁通继电器105、输出继电器107、双向谐振DC-DC转换器122、AC/DC转换器110以及DC/AC逆变器112以控制UPS100的操作。

响应于确定从公用设施电源101接收的AC电力是可接受的(例如，在期望的电平上)，控制器120操作UPS100以进入到“旁通”操作模式。在“旁通”操作模式中，控制器120传输控制信号以操作旁通继电器105以将输出端106耦接到旁通线路104。相应地，在“旁通”操作模式中，UPS100的输入端102(耦接到公用设施电源101)通过旁通线路104被直接耦接到UPS100的输出端106并且在输入端102处从公用设施电源101接收的未调节的AC电力被直接提供给输出端106以向负载供电。

响应于确定从公用设施电源接收的AC电力是暂降或上升情况(例如，高于或低于期望的电平)，控制器120操作UPS100以进入到“在线”操作模式。在“在线”操作模式中，控制器120传输控制信号以操作输出继电器107以选择性地将输出端106耦接到DC/AC逆变器112，以及AC/DC转换器110接收来自耦接到输入端102的公用设施电源101的AC电力。控制器120操作AC/DC转换器110以将AC电力转换成DC电力并且将DC电力提供给DC总线114。逆变器DC/AC逆变器112被控制器120操作以将DC总线114上的DC电力转换成经调节的AC电力并且经调节的AC电力被提供给输出端106。同样在“在线”操作模式中，控制器120操作双向谐振DC-DC转换器122以用来自DC总线114的DC电力为电池118充电。

响应于确定从公用设施电源接收到的AC电力是欠压或者中断的情况，控制器120操作UPS 100进入“电池”操作模式。在“电池”操作模式中，控制器120传输控制信号以操作输出继电器107将输出端106与DC/AC逆变器112耦接，以及当电池118放电时，将来自电池118的DC电力提供给双向谐振DC-DC转换器122。双向谐振DC-DC转换器122将从电池118接收到DC电力转换成期望电平的DC电力并且将转换的DC电力提供给DC总线114。DC/AC逆变器112被控制器120操作以将通过双向谐振DC-DC转换器122和DC总线114从电池118接收的DC电力转换成经调节的AC电力并且将该经调节的AC电力提供给输出端106。

双向谐振DC-DC转换器122被配置为作为高功率放电器(例如，在如上讨论的“电池”操作模式中)和高功率充电器(例如，在如上讨论的“在线”操作模式中)来操作。根据某些实施例，通过使用单一的双向谐振DC-DC转换器122作为放电器和充电器(而不是使用如上讨论的双高功率转换器)，UPS100可以实现高转换器利用率、高功率密度以及总成本的降低。同时，根据至少一个实施例，双向谐振DC-DC转换器122被配置为在转换器122的接通和关断周期期间使用软开关。软开关允许转换器122在高开关频率下操作，因此减少了转换器122磁性元件的尺寸。这也有助于实现在UPS100中的高功率密度以及UPS100的较低的总成本。软开关也会实现转换器122中低开关损耗以及更高的效率。

图2是双向谐振DC-DC转换器122的电路框图。转换器122包括正极电池接口202、负极电池接口204、第一电容器206、第一转换器桥(例如，包括第一组开关(S1-S4)208a-208d)、第一电感器214、第二电容器216、变压器218、继电器电路220、第三电容器222、第二电感器224、多个二极管(D1-D4)226a-226d、第二转换器桥(例如，包括第二组开关(S5-S6)228a-228b)、第四电容器230、第五电容器232、正极总线接口236、中间总线接口238以及负极总线接口240。

转换器122的正极电池接口202被耦接到电池118的正极端子并且转换器122的负极电池接口204被耦接到电池118的负极端子。第一电容器206被耦接到正极电池接口202和负极电池接口204之间。正极电池接口202也被耦接到开关S1 208a和开关S2 208b的漏极。负极电池接口204也被耦接到开关S3 208c和开关S4 208d的源极。开关S1 208a的源极被耦接到第一电感器214的第一端子。第一电感器214的第二端子通过第二电容器216被耦接到变压器218的第一绕组217的第一端子。开关S3 208d的漏极被耦接到变压器218的第一绕组217的第二端子。

变压器218的第二绕组219的第一端子通过继电器电路220选择性地或者通过第三电容器222耦接到第二电感器224的第一端子或者耦接到二极管D2 226b的阳极。第二电感器224的第二端子被耦接到开关S5 228a的源极。二极管D1 226a和D2 226b的阴极被耦接到正极总线接口236。开关S5 228a的漏极也被耦接到正极总线接口236。变压器218的第二绕组219的第二端子被耦接到中间总线接口238。变压器218的第二绕组219的第三端子通过继电器电路220选择性地或者耦接到二极管D3 226c的阴极或者靠左悬浮。

二极管D3 226c和D4 226d的阳极被耦接到负极总线接口240。开关S6 228b的源极也被耦接到负极总线接口240。二极管D3 226c的阴极也被耦接到二极管D1 226a的阳极。二极管D4 226d的阴极也被耦接到二极管D2 226b的阳极。开关S6 228b的漏极也被耦接到开关S5 228a的源极。第四电容器230被耦接到正极总线接口236和中间总线接口238之间。第五电容器232被耦接到中间总线接口238和负极总线接口240之间。

根据一个实施例，第一组开关中的开关208a-208d是金属氧化物半导体场效电晶体管(MOSFET)；然而，在其他实施例中，也可以使用其他合适类型的开关。在第一组开关中的每一个开关208a-208d包括耦接到其漏极和源极两端的体二极管210a-210d。每一个开关208a-208d也包括耦接到其漏极和源极两端的电容器212a-212d。根据一个实施例，第二组开关中的开关228a-228b是MOSFET；然而，在其他实施例中，可以使用其它合适类型的开关。第二组开关中的每一个开关228a-228b包括耦接到其漏极和源极两端的体二极管229a-229b。每一个开关228a-228b也包括耦接到其漏极和源极两端的电容器231a-231b。

根据一个实施例，第一组开关中的每一个开关208a-208d的栅极被耦接到控制器120。然而，在其他实施例中，第一组开关中的每一个开关208a-208d的栅极可以被耦接到另一控制器。根据一个实施例，第二组开关中的每一个开关228a-228b的栅极被耦接到控制器120。然而，在其他实施例中，第二组开关中的每一个开关228a-228b的栅极可以被耦接到其他控制器。

如图2所示，双向谐振DC-DC转换器122是由两个谐振DC-DC转换器组合实现为单一的转换器122。继电器电路220被用来合并两个谐振拓扑结构并且选择转换器122的操作模式。在第一操作模式中(例如，放电器操作模式)，继电器电路位于其NC位置。在第二操作模式中(例如，充电器操作模式)，继电器电路位于其NO位置。

在每一种操作模式中，转换器122作为频率选择谐振回路电路来操作。谐振回路电路通过其频率控制来调节转换器122的输出电压(或者输出到DC总线236、240或者输出到电池118)。谐振回路电路也允许在当前操作中接通用于转换器开关的软开关(例如，根据选定的操作模式的或者第一组开关(S1-S4)208a-208d或者第二组开关(S5-S6)228a-228b)并且可有助于减少开关损耗。根据一个实施例，关断用于选定开关设备的软开关可以在放电模式中使用第一组开关(S1-S4)212a-212d两端的电容器212a-212以及在充电模式中使用第二组开关(S5-S6)228a-228b两端的电容器231a-231b来实现。

根据一个实施例，通过处于控制器120控制下的50％占空比的脉宽调制(PWM)操作选定的开关设备(例如，在放电模式中的第一组开关(S1-S4)208a-208d和在充电模式中的第二组开关(S5-S6))，变压器218的初级侧通过谐振回路电路来激活。在其他实施例中，选定开关设备可以通过具有不同占空比的PWM来控制。转换器122的输出电压(例如，输出到DC总线236、240或者输出到电池118)通过整流经过二极管(例如，在放电器操作模式中的二极管D1-D4 226a-226d，以及在充电器操作模式中的开关S1-S4的体二极管210a-210d)的变压器的次级侧的生成电压来得到。转换器122在放电器操作模式和充电器操作模式中的操作将下面的图2-7中更详细地讨论。

图3是转换器122的等效谐振回路电路300的电路框图，此时转换器122在放电器操作模式中(即，继电器电路220在NC位置)且变压器218的绕组217、219具有1:1的匝比。

负载电阻(R_e)301表示从变压器218的次级侧看到的AC等效负载电阻器(即被耦接到变压器218的第二绕组219)。磁化电感(L_m)302是从变压器218的两端看到的电感。

在一个实施例中，磁化电感(L_m)302通过在变压器218的中心(即在第一绕组217和第二绕组219之间)中引入空气间隙来实现；然而，在其他实施例中，磁化电感(L_m)302可以是耦接到第一绕组217两端的电感器。根据一个实施例，磁化电感(L_m)302的值被选择来生成大约为转换器122的额定负载电流的百分之二十五的磁化电流(L_LM)304；然而，在其他实施例中，磁化电感(L_m)302可能被不同地配置。第一电感器214和第二电容器216是串联谐振元件。

根据一个实施例(例如，如图10所示的转换器1000)，第二电容器216可以被耦接在正极电池接口202和变压器218的第一绕组217的第二端子之间的第一替代电容器1002所替代并且第二替代电容器1004被耦接在负极电池接口204和变压器218的第一绕组217的第二端子之间。在其他实施例中，第二电容器216可以被不同地配置。

在放电器操作模式中，转换器122接收来自电池118的DC电力。第一组开关(S1-S4)208a-208d被控制器120操作以将从电池118接收到的DC电力转换为具有期望电压V₁ 307和电流(I_Lr)303的AC电力。来自第一组开关(S1-S4)208a-208d的AC电力激活变压器218的第一绕组217并且作为结果，在第二绕组219中生成次级电流(I_sec)308。次级电流(I_sec)308生成负载电阻器(R_e)301两端(即变压器218的第二绕组219的两端)的电压(V₂)306。电压(V₂)306被二极管D1-D4 226a-226d整流并且导致经整流的DC电力被提供给正极总线接口236以及负极总线接口240。

根据一个实施例(例如，图9中所示的转换器900)，二极管D2 226b和D4 226d被第二组开关(S5-S6)228a-228d的体二极管229a-229b替代并且电压(V₂)306被二极管D1 226a、二极管D3 226c、开关S5 228a的体二极管229a以及开关S6 228b的体二极管229b整流。

图3所示的谐振回路300的电压增益(V₂ 306/V₁ 307)是由控制器120确定的转换器122的操作频率(即，第一组开关(S1-S4)208a-208d的转换频率)的函数。图4是表示电压增益(V₂/V₁)402对转换器122的均一化开关频率(f_n)404的图表400。均一化开关频率(f_n)404是转换器122的转换频率除以第一电感器214和第二电容器216的串联谐振频率(f_o1)。图表400显示了在不同的质量因子(Q)408以及当变量m为2.5时谐振回路300的不同电压增益曲线406，其中m等于磁化电感(L_m)302除以第一电感器214的电感值。

控制器120监控电池118的输出电压并基于电池的输出电压调整转换器122的开关频率以将谐振回路的输出电压(V₂)维持在期望的参考电压。例如，如果控制器120确定电池118的输出电压是正常电平，那么控制器120在谐振频率(即f_n＝1)410处操作第一组开关(S1-S4)208a-208d。在谐振频率410处，谐振回路300具有单位(unity)电压增益(变压器匝比为1:1)并且谐振回路的输出电压(V₂)306被维持在大约期望的参考电平上(即V₂＝V₁)。

如果控制器120确定电池118的输出电压高于正常电平，那么控制器120将转换器122的开关频率增加到高于谐振频率(即f_n>1)的电平412。在高于谐振频率410的电平412处，谐振回路具有低于单位电压增益(变压器匝比为1:1)的电压增益并且尽管输出电压(V₂)306高于正常的电池输出电压(即V₂<V₁)，谐振回路的输出电压(V₂)306依然被维持在参考电平上。如果控制器120确定电池118的输出电压低于正常电平，则控制器120将转换器122的开关频率降到低于谐振频率410的电平414上(即f_n<1)。在低于谐振频率的电平414上，谐振回路具有高于单位电压增益(变压器匝比为1:1)的电压增益并且尽管输出电压(V₂)306低于正常的电池输出电压(即V₂>V₁)，谐振回路的输出电压(V₂)306依然被维持在参考电平上。

当双向DC-DC谐振转换器122被操作在串联谐振频率上时(即，f_n＝1)，双向DC-DC谐振转换器122实现最小的损耗并且提供最大的效率。当开关频率转向谐振频率的任意一边时，效率可能开始下降。因此，根据一个实施例，即使输出电压306或者电容器230和232两端的电压下降到低于正常电平，开关频率在较长的时间期间被保持在谐振频率上。电容器230和232两端的输出电压被允许从其额定值(例如400V)下降到最小可接受值(例如380V)。一旦电池118的输出电压达到了最小可接受电平(例如380V)，则要通过降低开关频率(如上所述)来将输出电压调整在大约最小可接受电平。因此，转换器122被操作在其最优效率电平上，该电平位于额定输出电压和电池118的最小可接受输出电压之间。

如上所述，转换器122还被配置为在开关(S1-S4)208a-208d的接通期间允许软开关。由于转换器122中的谐振动作，谐振回路300中的电流实际上是正弦曲线的。根据转换器122的开关频率(例如，被控制器120设定的)，转换器122可以在三个不同区域中的一个区域中操作；高于谐振f_n>1的操作、在谐振f_n＝1的操作、以及低于谐振f_n<1的操作。在不同的操作区域期间，相对于时刻(t)502，通过谐振回路300的不同分支的相应电流如图5所示，其中V₁ 307是由第一组开关(S1-S4)208a-208d生成的电压并且被提供给谐振回路300(如上所述)。

波形(a)500表示当转换器122在低于谐振频率上(即f_n<1)操作时通过谐振回路300的不同分支的电流。波形(b)510表示当转换器122在等于谐振频率(即f_n＝1)上操作时通过谐振回路300的不同分支的电流。波形(c)520当转换器122在高于谐振频率(即f_n>1)上操作时通过谐振回路300的不同分支的电流。到谐振回路300的输入电流(I_Lr1)303是第一组开关(S1-S4)208a-208d的输出电流，由通过电池118提供的DC电力生成。通过变压器218的第二绕组219的次级电流(I_sec)308实际上是正弦曲线的并且被谐振频率f_o1控制，如上所述。

如图5所示，独立于转换器122的操作区域(即高于、低于或者位于谐振区域)，在时刻t1 504处(即当V₁ 307走高时(例如当开关S1 208a和S4 208d被接通时))次级电流(I_sec)308为零。同样地，独立于转换器122的操作区域，在时刻t 1 504处，实际上被重新激活的变压器218中的磁化电流(I_Lm)304在其负极峰值。相应地，不论转换器122的当前操作区域，在时刻t1 504处(即当V₁ 307走高时(例如当开关S1 208a和S4 208d被接通时))，输入电流(I_Lr1)303(即次级电流(I_sec)308与磁化电流(I_Lm)304的总和)是负的。就在开关S1 208a和S4 208d的体二极管210a、210d被接通之间，负极输入电流(I_Lr1)303流过开关S1 208a和S4 208d的体二极管210a、210d。相应地，开关S1 208a和S4 208d以零电压开关(ZVS)接通(即软开关)并且实现低接通开关损耗。此外，由于在设备接通的瞬间(即在时刻t1 504处)次级电流(I_sec)308为零，因此二极管D1-D4 226a-226d没有反向恢复损耗。

如上所述，转换器122可以被配置为在开关(S1-S4)208a-208d的关断期间允许软开关。例如，如图5所示，当转换器122或者在谐振频率或在低于谐振频率(例如，波形(a)500和波形(b)510)处进行操作时，在时刻t2 506(即当电压V₁ 307走低(如，当开关S1 208a和S4 208d被关断)时)，在时刻t2 506处或者之前次级电流(I_sec)308下降至零并且输入电流(I_Lr1)303等于位于正极峰值的磁化电流(I_Lm)。当转换器122在高于谐振频率(例如，波形(c)520)处进行操作时，在时刻t2 506，次级电流(I_sec)308大于零，磁化电流(I_Lm)位于正极峰值，并且输入电流(I_Lr1)303为次级电流(I_sec)308和磁化电流(I_Lm)304的总和。

在没有缓冲时，在时刻t2 506(即关断)处的非零的输入电流(I_Lr1)303可导致开关S1 208a和S4 208d出现开关损耗。因此，根据至少一个实施例，耦接到每一个开关208a-208d的漏极和源极两端的电容器212a-212d是被配置为在关断时提供软开关的缓冲分级电容器。例如，不使用缓冲分级电容器212a-212d，就在转换器122中的开关(例如，S1 208a)刚刚关断之后，其两端的电压将陡然升至电池118的输出电压。流过开关的电流(例如，输入电流(I_Lr1)303)则将降为零而开关212a将在电池118的输出电压处经历开关损耗。通过对缓冲分级电容器212a-212d的使用，这样的开关损耗可以被减少。

如果缓冲分级电容器212a被耦接到转换器122的开关的漏极和源极的两端(例如，图2中所见的S1 208a)，那么就在开关S1 208a被关断之前，电容器212a被充电到电池118的输出电压电平。一旦开关S1 208a被关断，则开关S1 208a两端的电压上升；然而，由于电容器212a，开关S1 208a两端的电压会以比如果电容器212a被移除时的速率更低的速率上升。电容器212a的电容被选择使得开关S1 208a两端的电压的上升时间高于设备关断的开关时间。因此，开关S1208a在低于电池的输出电压电平的电压处关断，导致减少开关S1 208a中的关断开关损耗。上面关于开关S1 208a和S4 208d描述了转换器122在放电器操作模式中的接通和关断软开关；然而，用开关S2 208b和S3 208c也可以在放电器操作模式中实现类似的接通和关断软开关。

图6是当转换器122处于充电器操作模式(即继电器电路220位于其NO位置)以及变压器218的绕组217、219具有1:1的匝比时，转换器122的等效谐振回路电路600的电路框图。

负载电阻(R_e2)601表示从变压器218的次级侧看到的AC等效负载电阻器(即耦接到变压器218的第一绕组217)。负载电阻(R_e2)601对应于电池118的充电电流。磁化电感(L_m)302是从变压器218两端看到的电感。第一电感器214、第二电感器224、第二电容器216以及第三电容器222是串联谐振元件。在一个实施例中，第二电容器216，第一电感器以及磁化电感(L_m)302可以既在充电器模式又在放电器模式中使用；然而，在其他实施例中，任意数量的元件可以在两种模式中使用。在另一个实施例中，第二电感器224和/或第三电容器222可以被移除。

在充电器操作模式中，转换器122通过总线接口236、240从DC总线114接收DC电力。第二组开关(S5-S6)228a-228b被控制器120操作以将从总线114接收的DC电力转换成具有期望电压V₂ 606和电流(I_Lr2)604的AC电力(例如，方形波)。来自第一组开关(S5-S6)228a-228b的AC电力激活变压器218的第二绕组219并且由此在第一绕组271中生成次级电流(I_sec)606。次级电流(I_sec)606在负载电阻(R_e2)601的两端生成电压(V₁)608。电压(V₁)606被第一组开关(S1-S4)208a-208d的体二极管210a-210d整流并且生成的经整流的DC电力被提供给电池118。根据一个实施例，第一组开关(S1-S4)208a-208d被与第二组开关(S5-S6)同步地操作(即接通和关断)以提供同步地整流并且减少在第一组开关(S1-S4)208a-208d的体二极管210a-210d的损耗。

如图6所示的谐振回路600的电压增益(V₁ 608/V₂ 602)是由控制器120确定的转换器122的操作频率(即，第二组开关(S5-S6)228a-228b的开关频率)的函数。

图7是显示电压增益(V₁/V₂)402相对于转换器122的均一化开关频率(f_n2)704的图表700。均一化开关频率(f_n2)704是转换器122的开关频率除以第二电感器224和第三电容器222的串联谐振频率(f_o2)。图表700显示了谐振回路600的电压增益曲线706，其质量因子(Q)为0.17、变量m₁为4.1、变量m₂为5、变量f_o1/f_o2为1.18以及第二电感器224的电容与第一电感器214的电感的比值为0.82，其中：

f_o1是来自第一电感器214和第二电容器216的谐振频率；

m₁是磁化电感(L_m)302与第一电感器214的电感的比值；以及

m₂是磁化电感(L_m)302与第二电感器224的电感的比值。

控制器120监控电池118两端的电压，并且基于电池118两端的电压，调整转换器122的开关频率以将电池118的充电电流维持在期望的电流参考电平上。由于电池直接连接到转换器122的电池接口202、204的两端，电池118两端的电压可能不会被即时地控制。因此，在一个实施例中，每当电池118两端的电压低于其最大值时，控制器120则将期望的电流参考电平设定为其最大值。控制器120将电流参考电平维持在最大电平上直到电池118两端的电压达到其最大值。一旦电池118两端的电压达到其最大值，则控制器120将电流参考电平降为零。

如上所述，第一电感器214、第二电容器216以及磁化电感(L_m)302的值可以基于放电器操作模式来被选择。第二电感器224以及第三电容器222的值可以通过这样的方式来被选择，在充电器模式中，当电池118两端的电压在正常电平时(即低于最大电平)，转换器122被操作在均一化频率(f_o2)708上并且到电池118的充电器电流处于其最大电平。如果电池118两端的电压增长超过正常值，则控制器120增加转换器122的电压增益以将电池118的充电电流保持在最大电平上。控制器120通过减少转换器122的开关频率710来增加转换器122的电压增益。随着电池118两端的电压由正常值增加到最大值，转换器122的开关频率被控制器120逐渐地降到最小值。一旦电池118两端的电压达到其最大值，转换器122的开关频率被恒定地保持在其最大值并且到电池118的充电器电流下降到大约零。

与上面讨论的图5以及放电器操作模式类似；在充电器操作模式中，转换器122在第二组开关(S5-S6)228a-228b的接通期间提供软开关。流过谐振回路600的分支的电流波形与图5所示的电流波形基本相同。例如，当开关S5 228a被接通时(即当V₂602走高时)，不论转换器122是否被操作在谐振频率、低于或高于，输入电流(I_Lr2)604(即次级电流(I_sec)606与磁化电流(I_Lm)605的总和)为负值。就在开关S5 228a的体二极管229a被接通之前负极输入电流(I_Lr2)604流过开关S5 228a的体二极管229a。相应地，开关S5 228a以零电压开关(ZVS)(即软开关)接通并且实现低接通开关损耗。此外，在设备接通的瞬间次级电流(I_sec)606为零，并因此对于开关S1-S4的体二极管210a-210d没有反向恢复损耗。

同样如上面讨论的图5和放电操作模式类似；在充电器操作模式中，转换器122在开关(S5-S6)228a-228b的关断期间可提供软开关。在一个实施例中，耦接到每一个开关228a-228d的漏极和源极两端的电容器231a-231b是被配置为在关断时提供软开关的缓冲分级电容器。例如，就在开关S5 228a被关断之前，电容器231a被充电到DC总线114的电压电平。一旦开关S5 228a被关断，开关S5 228a两端的电压增加；然而，由于电容器231a，开关S5 228a两端的电压以比如果移除电容器231a时的速率更低的速率上升。电容器231a的电容被选择使得开关S5 228a两端电压的上升时间高于设备关断的开关时间。因此，开关S5 228a在低于DC总线114的电压电平的电压处关断，实现在开关S5 228a中的减少的关断开关损耗。在充电器操作模式中关于开关S5 228a在上面描述了转换器122的接通和关断软开关；然而，类似的接通和关断的软开关可以用开关S6 228b在充电器操作模式中被实现。

图8显示了形成系统800的计算组件的结构框图的示例，系统800可被配置为实现本文描述的一个或多个方面。例如，系统800可以被通信地耦接到UPS或者被包括在UPS中并且被配置为按照如上所述的方式操作UPS和双向DC-DC转换器。

例如系统800可以包括诸如基于Inter PENTITUM-类型的处理器、Motorola PowerPC、Sun UltraSPARC、Texas Instruments-DSP、Hewlett-Packard PA-RISC处理器、或者任何其他类型的处理器的通用计算平台。系统800可以包括专门编程的、专用硬件，例如，专用集成电路(ASIC)。本公开的不同方面可以实现为在诸如图8所示的系统800中执行的特定软件。

系统800可包括被连接到一个或多个存储器设备810(诸如磁盘驱动器、内存、闪存或者用于存储数据的其他设备)的处理器/ASIC 806。内存810可以被用来存储系统800操作期间的程序和数据。计算机系统800的组件可以通过互联机制808被耦接，互联机制808包括一个或多个总线(例如，被集成在同一个机器的组件之间)和/或网络(例如，位于分离的机器的组件之间)。互联机制808使得通信(例如，数据、指令)在系统800的组件之间被交换。

系统800也包括一个或多个输入设备804，其可包括例如键盘或触摸屏。系统800包括一个或多个输出设备802，其可包括例如显示器。此外，计算机系统800可以包含一个或多个接口(未显示)，其可将计算机系统800连接到通信网络，附加地或作为备选方案被连接到互联机制808。

系统800可包括存储器系统812，存储器系统812包括信号可被存储在其上的计算机可读和/或可写的非易失性介质以提供由处理器执行的程序或者提供存储在介质上或介质中的被程序处理的信息。该介质可以是，例如磁盘或闪存，以及在某些实施例中该介质可包括RAM或诸如EEPROM的其他非易失性存储器。在某些实施例中，处理器可以使得数据从非易失性介质中被读取到另一个内存810中，内存810允许比在介质上更快地由处理器/ASIC访问信息。内存810可以是易失性的、随机存取存储器，诸如动态随机存取存储器(DRAM)或静态存储器(SRAM)。其可以位于存储器系统812或者内存系统810中。处理器806可操纵集成电路内存810中的数据并且然后在处理完成后将数据拷贝到存储器812中。用于管理在存储器812和集成电路内存元件810中之间的数据移动有很多种已知的机制，并且本公开不限于此。本公开不被限制于特定的内存系统810或存储器系统812。

系统800可包括使用高级计算机编程语言可编程的通用计算机平台。系统800也可以使用专门编程的、专用硬件如ASIC被实现。系统800可包括处理器806，其可以是商业可获得的处理器诸如来自Intel公司的众所周知的Pentium系列处理器。许多其他的处理器也是可用的。处理器806可执行操作系统，操作系统可以是，例如，微软公司的Windows操作系统、苹果公司的MAC OS系统X、Sun Microsystems的Solaris操作系统、或者各种源的UNIX和/或LINUX。许多其他的操作系统也可以被使用。

处理器和操作系统一起可构成计算机平台，高级编程语言的应用程序可以被写入其中。应该理解的是，本公开不限于特定的计算机系统平台、处理器、操作系统或网络。同样的，对本领域技术人员应该明显的是，本公开不限于特定的编程语言或计算机系统。进一步地，应该理解的是，其他适当的编程语言或者其他适当的计算机系统也可以被使用。

如上所述，在放电器操作模式中，转换器122的初级侧包括全桥式转换器；然而，在其他实施例中，在放电器操作模式中的转换器122的初级侧包括半桥式转换器、推拉式转换器、或者其他适当类型的转换器。例如，根据一个实施例(例如，图10中所示的转换器1000)，在放电器操作模式中的转换器1000的初级侧包括半桥式转换器(包括开关S1 210a和S3 210c)。

同样如上所述，在充电器操作模式中，转换器122的初级侧包括半桥式转换器；然而，在其他实施例中，在充电器操作模式中的转换器122的初级侧可以包括全桥式转换器、推拉式转换器、或者其他适当类型的转换器。例如，根据一个实施例(例如，如图11中所示的转换器1100)，在充电器操作模式中的转换器1100包括全桥式转换器(包括开关S5-S8 228a-d)。

如上所述，转换器122从多个DC总线接收电压并且向多个DC总线提供电压(例如，正极DC总线和负极DC总线)；然而，在其他实施例中，转换器122可与单一的DC总线系统一起使用。例如，根据一个实施例(例如，图11中所示的转换器1100)，转换器1100被利用来向单一DC总线1102提供电压(V_DC)1104。

如上所述，变压器218的匝比为1:1；然而，在其他实施例，变压器器可以被配置为具有不同的匝比。

如上所述，转换器122被单一控制器120操作；然而，在其他实施例中，转换器122可以被多于一个的控制器操作。例如，在一个实施例中，转换器122在放电器操作模式中被放电器控制器操作而在充电器操作模式中被充电器控制器操作。在其他实施例中，任意数量和/或类型的控制器可以被用来操作转换器122。

如上所述，转换器122被用在在线UPS100中；然而，在其他实施例中，转换器122可与任何其他类型的UPS100(如，离线或在线互动式UPS)一起使用。

如上所述，转换器122被用在UPS100中；然而，在其他实施例中，转换器122可以被用在其他类型的需要高电力转换效率的电力系统中(例如，诸如高压(HV)数据中心应用)。

如上所述，UPS 100从AC主电源接收输入AC电力并且从电池接收DC电力，并且将源于AC主电源和DC电池电力中的至少一个的AC电力提供给负载。然而，在另一实施例中，UPS 100可被配置为从DC电源接收输入DC电力并且将源于输入DC电力和DC电池电力中的至少一个的AC电力提供给负载。在另一实施例中，UPS 100可以被配置为从AC主电源接收输入AC电力并且将源于输入AC电力和DC电池电力中的至少一个的DC电力提供给负载。

相应地，本文中描述的至少一些实施例提供双向谐振DC-DC转换器，其克服了使用双高功率转换器涉及的问题。单一双向谐振DC-DC转换器能够作为高电力充电器和高电力放电器来操作，实现高转换器利用率、高电力密度以及更低成本的电力系统。根据一个实施例，双向谐振DC-DC转换器也能够在转换器的接通和关断周期期间使用软开关。软开关允许转换器在高开关频率下操作，因此减少了转换器的磁化组件的尺寸。这可有助于实现高电力密度以及更低成本的UPS。软开关也可实现低开关损耗以及更高效率的转换器。

在这样描述了本发明的至少一个实施例的几个方面后，应该认识到，本领域中的技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。这样的变更、修改和改进被规定为本公开的部分，且被规定为落入本文讨论的精神和范围内。相应地，前述描述和附图仅作为示例。