UPS后级输出电路的制作方法

本发明涉及ups技术领域，特别是涉及一种ups后级输出电路。

背景技术：

在ups应用行业由于其服务对象很多都为数据机房，保障其运行稳定可靠的重要性不言而喻。所以为了防止ups自身逆变产生的漏电流和直流分量等，一般要求带一个工频隔离变压器使逆变器和供电负载进行前后隔离。使用工频变压器有利有弊，在系统待机的时候，由于变压器效率低而引起整个系统的效率低就是一个弊端。

传统带工频变压器的ups为了降低待机损耗，通常在待机模式里采用间断输出方式，即“打嗝”模式进行减低待机功耗。其工作原理见说明书附图图7。当系统检测输出负载电流小于设定的阈值后，系统认为输出已经没有负载存在，即可进入待机模式。其中t0-t1时间为ups计划关闭输出的时间，t1-t2时间为ups计划开启工作的时间。如果在t1-t2时间，ups仍然没有检测到负载接入，就会在t2时刻后继续进入关闭输出状态。

这种传统的减低待机功耗方式有2个缺陷：其一、在t1-t2输出期间，由于高功耗的输出工频变压器仍然在正常工作，并没有真正有效减低系统待机功耗。其二、由于系统处于间断的工作模式，不可避免的牺牲了负载接入实时响应时间。如图1所示，由于传统的待机模式中，关闭输出的时间间隔(t0-t1，t2-t4)和开启输出的时间间隔(t1-t2)为固定的，假设t3为负载接入的时刻。系统也只能在计划开启输出的t4时刻后才开始检查是否有负载接入，那么t3-t4这个时间段就是采用间断输出方式牺牲的负载接入响应时间。

在传统的模式中为了降低待机功耗，关闭输出的时间间隔(t2-t4)希望越长越好，但计划关闭的时间越长，对于随时接入的负载响应时间t3-t4来说，系统响应负载接入的时间也越长。因此，在传统的待机模式中，减低待机功耗和提高负载接入的实时响应时间存在矛盾。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种降低待机功耗同时保证负载接入响应速度的ups后级输出电路。

一种ups后级输出电路，包括：

逆变模块，用于产生交流电压；

主变模块，用于在接入负载时，在所述逆变模块与所述负载之间起电气隔离作用；所述主变模块包括连接所述逆变模块的主变压器；

辅助模块，用于在空载时，向所述ups后级输出电路的输出端提供电压；所述辅助模块包括连接所述逆变模块的辅助变压器，所述辅助变压器的额定容量低于所述主变压器的额定容量。

上述ups后级输出电路，通过在空载时，利用辅助模块向电路的输出端提供电压，从而能响应负载的随时接入，由于辅助变压器的额定容量低于主变压器的额定容量，因而能有效减少ups后级输出电路空载时的消耗功率，兼顾了响应速度及节能的需要。

在其中一个实施例中，所述ups后级输出电路的运行模块包括正常模式、及待机模式；当所述主变模块投入运行时，所述ups后级输出电路的处于正常模式；当所述辅助模块投入运行时，所述ups后级输出电路的处于待机模式；所述ups后级输出电路还包括第一切换器、及第二切换器；所述第一切换器、及所述第二切换器用于控制所述正常模式与所述待机模式之间的切换。

在其中一个实施例中，设有第一输出端、及第二输出端；逆变模块设有第一交流供应端、及第二交流供应端；第一切换器及第二切换器为继电器；逆变模块的第一交流供应端分别连接至主变压器一次绕组的同名端、及辅助变压器一次绕组的同名端；逆变模块的第二交流供应端连接至第一切换器的公共端；第一切换器的常开端连接至主变压器一次绕组的异名端，第一切换器的常闭端连接至辅助变压器的异名端；主变压器二次绕组的同名端分别连接至第一输出端、及辅助变压器二次绕组的同名端；主变压器二次绕组的异名端连接至第二切换器的常开端；第二切换器的常闭端连接辅助变压器二次绕组的异名端；第二切换器的公共端连接第二输出端。

在其中一个实施例中，所述主变模块还包括第一分压元件、及第二分压元件；所述逆变模块的第二交流供应端与所述主变压器一次绕组的异名端之间连接所述第一分压元件；所述主变压器二次绕组的异名端与所述第二输出端之间连接所述第二分压元件。

在其中一个实施例中，所述第一分压元件及所述第二分压元件为电阻。

在其中一个实施例中，所述第一分压元件及所述第二分压元件为电容。

在其中一个实施例中，所述逆变模块设有第一直流输入端、第二直流输入端；所述逆变模块包括开关管q1、开关管q2、开关管q3、及开关管q4；所述开关管q1、所述开关管q3依次串联在所述第一直流输入端与所述第二直流输入端之间；所述开关管q1与所述开关管q3之间的节点连接所述第一交流供应端；所述开关管q2、所述开关管q4依次串联在所述第一直流输入端与所述第二直流输入端之间；所述开关管q2与所述开关管q4之间的节点连接所述第二交流供应端。

在其中一个实施例中，所述逆变模块还包括电容c1，所述第一交流供应端与所述第二交流供应端之间连接所述电容c1。

在其中一个实施例中，还包括检测模块，所述检测模块包括与所述第一输出端或所述第二输出端对应的电流检测单元、及连接所述电流单元的控制单元；所述控制单元根据所述电流检测单元的检测值对所述第一切换器、及所述第二切换器的状态进行控制。

在其中一个实施例中，所述主变模块还包括与所述主变压器一次绕组串联的开关s1、及与所述主变压器二次绕组串联的开关s2；所述辅助模块还包括与所述辅助变压器一次绕组串联的开关s3、及与所述辅助变压器二次绕组串联的开关s4。

附图说明

图1为本发明的一较佳实施例的ups后级输出电路的结构示意图；

图2为图1所示的ups后级输出电路在其中一种实施例中的电路图；

图3为图1所示的ups后级输出电路加入第一切换器、第二切换器后的结构示意图；

图4为图3所示的ups后级输出电路在待机模式下的电路图；

图5为图3所示的ups后级输出电路在正常模式下的电路图；

图6为典型磁芯损耗曲线；

图7为传统带工频变压器的ups在待机模式中采用间断输出方式的波形示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1至图5，为本发明一较佳实施方式的ups后级输出电路100，用于利用ups内的直流电源向负载800提供交流输出。该ups后级输出电路100包括：

逆变模块20，用于产生交流电压；

主变模块30，用于在接入负载800时，在逆变模块20与负载800之间起电气隔离作用；主变模块30包括连接逆变模块20的主变压器tx1；

辅助模块40，用于在空载时，向ups后级输出电路100的输出端提供电压；辅助模块40包括连接逆变模块20的辅助变压器tx2，辅助变压器tx2的额定容量低于主变压器tx1的额定容量。

通过在空载时，利用辅助模块40向电路的输出端提供电压，从而能响应负载800的随时接入，由于辅助变压器tx2的额定容量低于主变压器tx1的额定容量，因而能有效减少ups后级输出电路100空载时的消耗功率，兼顾了响应速度及节能的需要。

请参阅图3，在其中一个实施方式中，ups后级输出电路100的运行模块包括正常模式、及待机模式；当主变模块30投入运行时，ups后级输出电路100的处于正常模式；当辅助模块40投入运行时，ups后级输出电路100的处于待机模式；ups后级输出电路100还包括第一切换器50、及第二切换器60；第一切换器50、及第二切换器60用于控制正常模式与待机模式之间的切换；具体地，逆变模块20通过第一切换器50与主变压器tx1或辅助变压器tx2连接；ups后级输出电路100的输出端通过第二切换器60与主变压器tx1或辅助变压器tx2连接。

请参阅图4及图5，在其中一个实施方式中，为实现主变压器tx1与辅助变压器tx2之间的切换；ups后级输出电路100设有第一输出端、及第二输出端；逆变模块20设有第一交流供应端、及第二交流供应端；第一切换器50及第二切换器60为继电器；逆变模块20的第一交流供应端分别连接至主变压器tx1一次绕组的同名端、及辅助变压器tx2一次绕组的同名端；逆变模块20的第二交流供应端连接至第一切换器50的公共端；第一切换器50的常开端连接至主变压器tx1一次绕组的异名端，第一切换器50的常闭端连接至辅助变压器tx2的异名端。

主变压器tx1二次绕组的同名端分别连接至第一输出端、及辅助变压器tx2二次绕组的同名端；主变压器tx1二次绕组的异名端连接至第二切换器60的常开端；第二切换器60的常闭端连接辅助变压器tx2二次绕组的异名端；第二切换器60的公共端连接第二输出端；具体地，逆变模块20逆变产生的交流电压通过第一交流供应端、及第二交流供应端输出；当第一输出端及第二输出端没有负载800接入时，第一切换器50、第二切换器60的公共端连接至常闭端，避免主变压器tx1一次绕组通过第一切换器50直接连通至逆变模块20或主变压器tx1二次绕组通过第二切换器60直接连通至第二输出端，以减少主变压器tx1上的损耗；逆变模块20输出的交流电通过辅助变压器tx2向第一输出端、第二输出端产生感应电压；由于辅助变压器tx2的额定容量低于主变压器tx1的额定容量，辅助变压器tx2在空载情况下的损耗远低于主变压器tx1在空载情况下的损耗。由于辅助变压器tx2保持向第一输出端、第二输出端提供电压输出，从而能向随时接入的负载800及时输出电流；当第一输出端及第二输出端接入负载800后，根据输出电流的上升变化，切换至正常模式，即第一切换器50、第二切换器60的公共端连接至常开端，辅助变压器tx2的一次绕组、二次绕组分别处于开路中，切断了辅助变压器tx2与交流电源的连接；逆变模块20输出的交流电通过主变压器tx1向第一输出端、第二输出端产生感应电压，由于主变压器tx1的额定容量较大，从而能满足负载800的电能需求。

在其中一个实施方式中，为在ups后级输出电路100开机时，或从待机模式切换至正常模式前，为主变压器tx1提供预充电，避免第一切换器50、第二切换器60切换时受到大电流冲击，同时尽量降低待机模式下主变压器tx1的功耗，主变模块30还包括第一分压元件31、及第二分压元件32；逆变模块20的第二交流供应端与主变压器tx1一次绕组的异名端之间连接第一分压元件31；主变压器tx1二次绕组的异名端与第二输出端之间连接第二分压元件32；具体地，通过第一分压元件31限制主变压器tx1一次绕组上的电压，通过第二分压元件32限制主变压器tx1二次绕组上的电压，从而在待机模式下降低了主变压器tx1的消耗；当切换至正常模式后，第一切换器50将第一分压元件31处于短接状态，第二切换器60将第二分压元件32处于状态。

在其中一个实施方式中，第一分压元件31及第二分压元件32为电阻。

本实施方式的实现原理如下：

以输入电压48vdc，输出电压230vac，输出功率2000va的ups后级输出电路100为例，同时结合以下条件：

①、ups后级输出电路100是以低压直流为输入源进行逆变的，所以对主变压器tx1一次绕组损耗计算时，逆变模块20输出的电压可以认为是26vac不变的；

②、由于ups后级输出电路100输出一般是稳定的电压源，在计算主变压器tx1二次绕组损耗时，也可以认为第一输出端与第二输出端之间的电压为230vac，且稳定不变。

本实施方式所采用的主变压器tx1及辅助变压器tx2的参数如表1所示；

根据表1测试的实际空载数据，可以直接得出正常模式下，主变压器tx1的最大视载功率损耗p1max为：p1max＝230v×1.05a＝241.5va。

待机模式下，辅助变压器tx2的最大视载功率损耗p2max为：p2max＝230v×0.007a＝1.61va。

p1max为需要改善的待机消耗功率，即在ups后级输出电路100空载且逆变模块20通过主变压器tx1向第一输出端、第二输出端输出电压时所消耗的功率。p1max的损耗主要来自于两部分，一个为主变压器tx1的一次绕组、二次绕组的铜损，由公式p＝u²/r，可以求得。主变压器tx1的另一部分损耗来自于磁芯损失，磁芯厂家提供的典型磁芯损耗曲线如图6所示。图6中纵坐标磁芯损失的单位一般是：瓦特每千克(w/kg)或者是毫瓦每克(mw/g)，横坐标磁通密度的单位一般为：特拉斯(t)或者毫特拉斯(mt)。由图6可知，在固定的工作频率中，磁芯的损耗和磁通密度成正比关系，又由公制单位表示的法拉第定律(式1)可知，磁通密度和加载在变压器上的电压vp成正比关系。

vp＝kf·fnpacbm×10^-4(1)

式1中，vp代表变压器绕组上的电压，kf为波形系数，对于正弦波kf为4.4，np为变压器线圈的匝数，ac为变压器所用磁芯的窗口面积，bm为磁通密度。

表1

由上述分析可得，通过调整加载在主变压器tx1绕组上的电压vp，即可减少主变压器tx1的铜损和磁损，进而可以降低ups后级输出电路100的待机功耗；在待机模式下，假定通过阻值为1kω的第一分压元件31，及阻值为2kω第二分压元件32降低主变压器tx1绕组上的电压；同时假定，主变压器tx1一次绕组的阻抗模为|z1低|，主变压器tx1二次绕组的阻抗模为|z1高|；主变压器tx1投入运行时(第一分压元件31、第二分压元件32被短接)，逆变模块20后侧总的空载损耗为p1总，主变压器tx1的空载损耗为p1n；由于第一分压元件31、第二分压元件32被短接，因此p1总等于p1n，结合表1，p1总为241.5va。

另外假定，在待机模式下，主变压器tx1的空载损耗为p1e，第一分压元件31的的电压为ur1、损耗为pr1，第二分压元件32的的电压为ur2、损耗为pr2；待机模式下，逆变模块20后侧总的空载损耗为p2总，辅助变压器tx2的空载损耗为p2。

在待机模式下，p2总由p1e、pr1、pr2、及p2组成；由表1中主变压器tx1的二次绕组的空载损耗数据(视载功率)及下述公式(2)(功率，电压和阻抗关系)，可得：|z1高|＝230v×230v/241.5va＝219，|z1低|＝26v*26v/241.5va＝2.80。

根据分压公式，可得第一分压元件31的的电压ur1为：ur1＝26v*1000/(1000+2.8)＝25.93v；第二分压元件32的的电压ur2为：ur2＝230v*2000/(2000+219)＝207.30v；结合公式(2)，可得：

待机模式下，辅助变压器tx2的空载损耗p2可由表1的空载视载功率得出，p2＝1.61va；待机模式下，逆变模块20后侧总的空载损耗p2总为：

p2总＝pr1+pr2+p1e+p2＝0.67+21.49+2.355+1.61＝26.125va

因此，待机模式相对正常模式在空载损耗上的下降率n为：

根据上述分析，对逆变模块20后级的空载功率进行实测(p1功耗数据为ups不打嗝待机状态下测得)，测试数据如表2所示，待机模式下，空载损耗p2总＝25.77va，与正常模式下空载损耗p1总＝217.25va相比，空载损耗的下降率n0为：

因此，在第一分压元件31及第二分压元件32为电阻时，能产生较大的节能效益，同时由于主变压器tx1通过第一分压元件31及第二分压元件32持续通入电流，避免第一切换器50、第二切换器60切换时，电路受到大电流的冲击。

表2

在其中一个实施方式中，第一分压元件31及第二分压元件32为电容。

在其中一个实施方式中，逆变模块20设有第一直流输入端、第二直流输入端；逆变模块20包括开关管q1、开关管q2、开关管q3、及开关管q4；开关管q1、开关管q3依次串联在第一直流输入端与第二直流输入端之间；开关管q1与开关管q3之间的节点连接第一交流供应端；开关管q2、开关管q4依次串联在第一直流输入端与第二直流输入端之间；开关管q2与开关管q4之间的节点连接第二交流供应端；具体地，第一交流供应端、第二交流供应端分别连接ups系统的储能部件；通过开关管q1与开关管q3、开关管q2与开关管q4的交替导通，从而实现直流电压的逆变。

在其中一个实施方式中，为稳定逆变模块20的输入电压，逆变模块20还包括电容c1，第一交流供应端与第二交流供应端之间连接电容c1。

在其中一个实施方式中，准确判断正常模式与待机模式之间的切换时间，ups后级输出电路100还包括检测模块，检测模块包括与第一输出端或第二输出端对应的电流检测单元71、及连接电流单元的控制单元72；控制单元72根据电流检测单元71的检测值对第一切换器50、及第二切换器60的状态进行控制；控制单元72还对第一输出端与第二输出端之间的电压进行检测，控制单元72根据输出电流及输出端电压确定输出功率，当输出功率低于设定阈值功率值时，则判断处于空载状态，ups后级输出电路100由正常模式切换至待机模式，从而降低损耗；具体地，电流检测单元71为电流互感器；当在待机模式下接入负载时，在辅助变压器tx2二次绕组电压的作用下，第一输出端及第二输出端恢复电流输出，控制单元72根据电流检测单元71的检测而切换第一切换器50及第二切换器60的状态，从而进入正常模式。

请参阅图2，在其中一个实施方式中，为实现主变压器tx1与辅助变压器tx2的分别投入运行，主变模块30还包括与主变压器tx1一次绕组串联的开关s1、及与主变压器tx1二次绕组串联的开关s2；辅助模块40还包括与辅助变压器tx2一次绕组串联的开关s3、及与辅助变压器tx2二次绕组串联的开关s4；具体地，主变压器tx1的一次绕组与开关s1串联在第一交流供应端与第二交流供应端之间；主变压器tx1的二次绕组与开关s2串联在第一输出端与第二输出端之间；辅助变压器tx2的一次绕组与开关s3串联在第一交流供应端与第二交流供应端之间；辅助变压器tx2的二次绕组与开关s4串联在第一输出端与第二输出端之间；当接入负载800后，开关s1及开关s2闭合，开关s3及开关s4分断，主变压器tx1在直流电源与负载800之间产生前后隔离作用，并向负载800提供充足的电能输出；当空载时，开关s1及开关s2分断，开关s3及开关s4闭合，主变压器tx1两侧的回路切断，逆变模块20通过辅助变压器tx2向输出端提供电压。

本实施例中，通过在空载时，利用辅助模块向电路的输出端提供电压，从而能响应负载的随时接入，由于辅助变压器的额定容量低于主变压器的额定容量，因而能有效减少ups后级输出电路空载时的消耗功率，兼顾了响应速度及节能的需要。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。